【文章內(nèi)容簡介】 基原位復(fù)合材料的制備方法 金屬基原位復(fù)合材料的制備方法很多，依照反應(yīng)物的初始狀態(tài)，可分為固 液反應(yīng)，固 固反應(yīng)，液 液反應(yīng)和氣 液反應(yīng) 4種反應(yīng)模式 [1315]。 (1)固 液反應(yīng)法，固 液反應(yīng)法是目前研究較廣的一種復(fù)合工藝。一般是將反應(yīng)物粉末與金屬熔體混合，使加入粉術(shù) 與金屬熔體成分反應(yīng)或自行分解，生成難熔的高硬度質(zhì)點，均勻分散在基體中，形成復(fù)合材料。該復(fù)合工藝的特點是成本較低，反應(yīng)材料種類較多，復(fù)合后的材料組織細(xì)密。固 液反應(yīng)法根據(jù)反應(yīng)原理可分為： ① 直接反應(yīng)法 將固態(tài)碳粉或硼粉直接加入到高溫合金熔體中，使 C或 B同合金熔體中個別組元反應(yīng)，從而在基體中形成碳化物或硼化物的增強(qiáng)粒子 [1 17]。 ② 還原反應(yīng)法 該法利用了化學(xué)的還原反應(yīng)原理，即將不穩(wěn)定的化合物加入到合金熔體中，使合金熔體中的組元與加入的化合物發(fā)生熱還原反應(yīng)，生成所需要的更加穩(wěn)定的陶瓷或金屬間化合物增強(qiáng)相 [1 19]。 ③ 反應(yīng)擠壓鑄造法 該法的基本原理是將基體金屬液擠壓滲透到由反應(yīng)物制成的預(yù)制體中，通過其與基體金屬或其中的某一組元反應(yīng)生成新的增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化基體的目的。 Fukunaga等首先將反應(yīng)壓鑄法用于自生 A1203粒子增強(qiáng)金屬間化合物基復(fù)合材料的制備 [20]。 (2)固一固反應(yīng)法，在該工藝中，增強(qiáng)相是由固相組元間的反應(yīng)生成的，通過固相間原子擴(kuò)散來完成，通常溫度較低，增強(qiáng)相的長大傾向較小，有利于獲得超細(xì)增強(qiáng)相，但是該工藝效率較低。屬于此方法的復(fù)合工藝有自蔓延高溫合成法 (SHS)、 XDTM法、接觸反應(yīng) 法、混合鹽反應(yīng)法和機(jī)械合金化 (MA)法等。 金屬基原位復(fù)合材料的研究趨勢與展望 金屬基原位復(fù)合材料作為材料家族的一支新軍，雖然其發(fā)展歷史只有幾十年，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 但己顯示出強(qiáng)大的生命力。因為它具有高強(qiáng)度、延伸率好，而且具有生產(chǎn)設(shè)備廉價，工藝簡單，節(jié)能高效，產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)勢，所以越來越受到國內(nèi)外材料工作者的關(guān)注。但由于金屬基原位復(fù)合材料的研究時問較短，在制備工藝、增強(qiáng)機(jī)制、材料性能及應(yīng)用等方面還存在一些問題，有待于進(jìn)一步研究及完善。目前，對金屬基原位復(fù)合材料的研究主要集中在以下幾個方面： ① 金屬基原位復(fù)合材 料的制備工藝研究和創(chuàng)新； ② 研究增強(qiáng)相的形成機(jī)理，進(jìn)一步完善反應(yīng)熱力學(xué)、動力學(xué)體系。研究反應(yīng)控制過程的方法，以便能控制反應(yīng)速度以及生成增強(qiáng)相的大小、形狀和分布； ③進(jìn)一步研究增強(qiáng)體與基體的金屬學(xué)關(guān)系，顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系； ④ 進(jìn)一步研究增強(qiáng)相對材料的強(qiáng)化機(jī)制及增韌機(jī)制。就目前的實際情況來看，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料具有很強(qiáng)的生命力，并已在汽車等方面初步獲得應(yīng)用。 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料概述 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料的一個分支，屬于顆料分散相復(fù)合材料的一種。這種復(fù)合材料的增強(qiáng)體是主要的承載者 ，基體的作用在于傳遞載荷和便于加工?；w材料可以是有色金屬，也可以是黑色金屬。由于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可以使用目前已知的金屬做基體，因而其具有性能的可控制性，所以目前已逐漸引起人們的關(guān)注。 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 (Particulate Reinforced Metal Matrix Composites，簡稱PRMMC)是將陶瓷顆粒增強(qiáng)相外加或自生進(jìn)入金屬基體中得到兼有金屬優(yōu)點 (韌性和塑性好 )和增強(qiáng)顆粒優(yōu)點 (高硬度和高模量 )的復(fù)合材料。 PRMMC具有增強(qiáng)體成本低 ，微觀結(jié)構(gòu)均勻，材料各向同性，可采用熱壓、熱軋等傳統(tǒng)金屬加工工藝進(jìn)行加工等優(yōu)點，因而倍受關(guān)注。由于增強(qiáng)顆粒的加入， PRMMC具備了一些不同于基體合金的物理和機(jī)械性能。力學(xué)性能方面， PRMMC的彈性模量隨增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，強(qiáng)度也有不同程度的增加。延伸率則隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而減小。材料的拉伸性能則受增強(qiáng)顆粒的尺寸、分布及體積分?jǐn)?shù)等多種因素的影響。磨損性能的提高是 PRMMC的重要特性之一，由于碳化物粒子等增強(qiáng)顆粒的存在，PRMMC具有優(yōu)異的耐磨性能。對 PRMMC的磨損性能研究表明，磨損抗力隨著增強(qiáng)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加可以顯著增加，且顆粒尺寸越大，其耐磨性越好。 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的優(yōu)點 顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)和良好的耐磨性等優(yōu)良性能，目前在航空航天及汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的制備特點 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的原位合成是通過元素間或化合物間的化學(xué)反應(yīng)，在鋁基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度高彈性模量的陶瓷材料增強(qiáng)體，從而達(dá)到增強(qiáng)鋁基體的目的。由于增強(qiáng)體是反應(yīng)合成的，內(nèi)生 于基體之中，因而具有許多外加強(qiáng)化相強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料所不具有的獨特優(yōu)點： (1)增強(qiáng)體在鋁基體上原位形核、長大，具有強(qiáng)界面結(jié)合、良好的相容性； (2)通過選擇反應(yīng)物來控制增強(qiáng)體種類、大小和數(shù)量，并可以通過工藝來控制其大小和分布，不易出現(xiàn)增強(qiáng)體的團(tuán)聚和偏析； (3)省去了增強(qiáng)體的預(yù)處理，簡化了工藝流程，成本也相對降低： (4)增強(qiáng)體顆粒細(xì)小，往往處于微米級或微米以下，能保證鋁基復(fù)合材料不但有良好的韌性和高溫性能，而且有很高的強(qiáng)度和彈性模量； (5)能與鑄造工藝結(jié)合，直接制造出形狀復(fù)雜、尺寸變化大的近終形產(chǎn)品。 原位反應(yīng)合成的鋁基復(fù)合材料，具有細(xì)晶粒組織結(jié)構(gòu)，生成的增強(qiáng)體細(xì)小，可達(dá)到 1微米粒度以下，且增強(qiáng)體與基體合金界面結(jié)合良好，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，更高的耐磨性能和高溫性能。 顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的增強(qiáng)體 原位合成鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體是由材料內(nèi)部反應(yīng)合成的，相比于外加的增強(qiáng)體，其可選擇的種類較少，其中以粒子形態(tài)的增強(qiáng)體為主。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的應(yīng)用 在航空航天方面， Al356和 Al357／ SiC顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料可制造飛機(jī)液壓管，直升飛機(jī)支架和閥體。 2099鋁合金 +25％ SiC材料可以制造火箭發(fā)動機(jī)零件。美國 DwA特種復(fù)合材料公司用 (SiCp)25％增強(qiáng) 6061鋁合金基復(fù)合材料代替 7075鋁合金生產(chǎn)宇航結(jié)構(gòu)導(dǎo)槽、角材，其密度下降了 17％，用 Al357合金 +(SiC)20％可以制造坦克火力控制鏡的基片和導(dǎo)彈機(jī)翼。在汽車制造方面，幾乎所有的歐美汽車制造廠，在研究采用金屬基復(fù)合材料制造制動盤、制動鼓。國內(nèi)已將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于剎車輪，使其重量減少了 30％～ 60％，且導(dǎo)熱性大大改善。顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料還可用于制造自行車、 醫(yī)療器具、運動器械等其他高性能要求的零部件。尤其現(xiàn)在研究較多的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料性能優(yōu)異，用作功能材料，可望在機(jī)械、冶金、建材、電力等工業(yè)部門得到更廣泛的應(yīng)用。 研究意義 Al、 Nb合金是 Al基鑄造合金中最重要的一個系列，占鋁鑄件產(chǎn)量的 85％～ 90％，主要原因是它具有低密度、高強(qiáng)度、另外，焊接、鑄造、耐磨、耐熱性能好等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天和汽車領(lǐng)域。 近年來，原位合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其一方面具有高的比強(qiáng)度，比剛度，低的熱膨脹系數(shù)，耐磨損，成本低等優(yōu)點，另一方面由于其增強(qiáng)體在熔體內(nèi) 反應(yīng)生成，具有尺寸小，界面潔凈無污染，熱穩(wěn)定性好，且與基體界面相容性好等特點，在航空，航天以及兵器和車輛等領(lǐng)域中，獲得了迅速的發(fā)展，是一種理想的新型結(jié)構(gòu)材料，以成為鋁基復(fù)合材料研究中的一個重要的研究方向。自反應(yīng)原位生成增強(qiáng)體的鋁基復(fù)合材料是復(fù)合材料領(lǐng)域中的一種新的制備方法，由于具有制備工藝相對簡單，材料制造成本低等優(yōu)點而日益受到人們的重視。對于單相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究取得了長足的進(jìn)步，日本豐田公司在1983年首次成功地用 A12O3／ A1基復(fù)合材料制備了發(fā)動機(jī)活塞，與原來鑄鐵發(fā)動機(jī)活塞相比，質(zhì)量減輕了 5％～ 10％，導(dǎo)熱系數(shù)提高了 4倍左右。美國一汽公司研制了用 SiC顆粒增強(qiáng)的 A Si、 Mg基復(fù)合材料制成的剎車輪； Dural公司采用攪拌熔鑄法研制了 A12O3／ 6061Al復(fù)合材料，用作汽車傳動軸，與鋼傳動軸相比，不平衡臨界速度提高了 14％，在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，上海交通大學(xué)，山東大學(xué)等對復(fù)合材對 A12O TiB TiC、 SiC等單一顆粒增強(qiáng) Al基復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究，然而單內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 一增強(qiáng)體已經(jīng)不能完全滿足材料需要具備更高性能的要求，因此開發(fā)具有更多性能的鋁基復(fù)合材料是當(dāng)今材料發(fā)展的必然趨勢，對于多相增強(qiáng)鋁基復(fù) 合材料的研究目前已經(jīng)引起了很多學(xué)者的青睞，而對于 ALNb間化合物的研究卻更是少見，目前也只是只是在 ALNi， ALMg， AlFe，進(jìn)行過研究，而用反應(yīng)鑄造法制備 NbAl鋁基復(fù)合材料的研究卻很少有人涉及。由于 NbAL原位反應(yīng)生成的 AL3Nb金屬間化合物具有優(yōu)越的性質(zhì)，作為增強(qiáng)顆粒，與鋁相容性很好，是理想的增強(qiáng)顆粒，所以研究它無疑對 ALNb化合物增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究增加更多的參考價值，本文采用反應(yīng)鑄造法原位合成 Al3Nb顆粒增強(qiáng) 鋁基復(fù)合材料，也正是基于增強(qiáng)體優(yōu)越的性質(zhì)，以及反應(yīng)鑄造原位合成制備技術(shù) 成本較低，工藝簡單，容易操作 。 研究內(nèi)容 主要研究內(nèi)容為原位復(fù)合材料的制備工藝、增強(qiáng)相尺寸控制、原位復(fù)合材料的最佳成分選擇、常溫力學(xué)性能檢測、增強(qiáng)相與基體界面的金屬學(xué)特征、增強(qiáng)機(jī)制的分析和討論。研究 AlNb系統(tǒng)，以純鋁為機(jī)體，分別采用熔體反應(yīng)方法制備 (Al3Nb)復(fù)合材料，分別探討了不同的反應(yīng)工藝參數(shù)對復(fù)合材料組織性能的影響，通過實驗方案， 熔鑄溫度對鋁基復(fù)合 材料性能的影響因素進(jìn)行了研究，并最終找到最佳的 熔鑄溫度 。采用光學(xué)顯微鏡 觀察 Al3Nb顆粒增強(qiáng) 鋁基復(fù)合材料 的 形貌及分布、 顆粒的大小等。采用硬度計測 試不同熔鑄溫度的硬度 力學(xué)性能 。 立式萬能磨損試驗機(jī) 測試不同熔鑄溫度的 耐摩擦 磨損 程度。從而通過 顯微組織的關(guān)系對 Al3Nb顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析 。 鈮與鋁形成的金屬間化合物具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、較高的熔點和較低的密度。這種材料與目前廣泛研究和應(yīng)用的 Fe． Al系、 Ni． Al系、Ti． Al系相比，具有更高的熔點和適中的密度，是一種潛在的高溫結(jié)構(gòu)材料。同時，Nb． A1也可作為一種高電流、高磁場下的超導(dǎo)材料來使用。由于具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)和有限的滑移帶，鈮鋁金屬間化合物的室溫塑性和韌性差，因此，提高延性和增韌是 其獲得工業(yè)應(yīng)用的必備條件。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 第二章顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的制備 實驗材料 本實驗所需合金材料成分如下： 不同 熔鑄溫度對對顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 的影響 實驗用的基體為工業(yè)純鋁（ %），鈮粉（ Nb)純度： %，粒度： 300 目，以下圖表為工業(yè)純鋁的成分。 （試樣總質(zhì)量為 100g） 表 21 試驗用工業(yè)純鋁的化學(xué)成分表， wt% Al Fe Si Cu Ca