【正文】 界面結合強度不夠高；雖然對增強顆粒進行了表面處理、表面改性以及界面結合強度的研究，使復合材料的性能有所提高，但這都增加了工藝的復雜性，提高了產(chǎn)品的成本。原位反應法能夠克服以上問題，增強顆粒在基體內(nèi)部生成，表面潔凈，與基體結合良好，人們對此進行了許多的研究。原位反應制備顆粒增強鋁基復合材料的制備工藝多種多樣，其關鍵在于適當控制原位反應來合成所需的增強相。采用較多的Ti+C或Ti+B反應體系由于Ti和B昂貴的價格使研究人員轉而尋求廉價的原料：利用廉價的金屬氧化物被鋁還原發(fā)生的鋁熱反應來獲得增強顆粒，制備A1203顆粒增強金屬基復合材料成為了目前的研究熱點，人們所采用的氧化物包括CuO、Si0TiOZnO、Fe2ONi2O3等。這種鋁熱反應過程中產(chǎn)生的第二種物質作為合金元素進入鋁基體，起到了合金化增強作用，但改變了基體的成分。尤其是當需要大量的增強相時，合金相將不可避免地被過量產(chǎn)出，難以被基體所容納，成為材料的有害雜質，破壞材料的綜合性能。本課題研究的是以CuO粉末與Al粉壓制成塊，通過攪拌使其分散到鋁熔體中，在900℃的高溫下發(fā)生如下分解反應： 2Al+3CuO=3Cu+Al2O3 （16）生成的A12O3顆粒均勻地分散在鋁熔體中起改善磨損性能的作用。通過測試硬度和摩擦磨損試驗來表明加入的Al2O3顆粒起到了增強體的作用。與傳統(tǒng)的復合工藝相比，該工藝具有以下優(yōu)點：增強體A12O3顆粒是在熔體內(nèi)部通過Al粉與CuO發(fā)生反應，因此顆粒表面無污染，避免了與基體相容性差的問題，且生成的氧化鋁顆粒細小，與基體結合良好。本課題立足于實際應用，以現(xiàn)有的鋁合金熔煉工藝為基礎，常規(guī)熔煉設備即可滿足要求，而且制備的復合材料熔體可澆鑄成錠或直接澆鑄成零件，制備成本低。第二章 試驗方案及工藝流程基體材料為7075鋁基復合材料。成分為硅、鐵、銅、錳、鎂、鉻、鎳、鋅、鈦、其它、鋁，其含量如下表：表21 7075鋁合金的成分元素硅鐵銅錳鎂鉻含量元素鎳鋅鈦其它鋁含量（5）余數(shù) 增強體材料為Al2O3，其為Al與 CuO按其摩爾比為1比1混合均勻壓制成塊，用鋁箔包緊然后投入900℃鋁液中經(jīng)攪拌反應得到。 輔助材料有Mg粉，鋁箔，除氣塊。其中鋁箔為分析純，%，除氣塊為六氯乙烷。Mg粉是助燃劑，使反應充分發(fā)生。試驗中所用設備為：MRS10A型摩擦磨損機，XJD1金相顯微鏡。其他設備包括JA2103N型電子天平（最大稱重量200g,）、普通電子秤（最大稱量1000g）、石墨粘土坩堝（內(nèi)徑為90mm）、試樣切割器、石墨棒。 原位Al2O3顆粒的制備反應方程：2Al+3CuO=3Cu+Al2O3Al粉與CuO粉末在高溫下發(fā)生原位反應生成細小的Al2O3顆粒，彌散在鋁基體上達到細化晶粒提高機械性能的目的。熔化摩擦磨損實驗攪拌澆鑄切割試樣組織觀察硬度測定預置塊 試驗流程圖 1澆鑄準備工作。用鋼鋸把盤型7075鋁合金鋸成小塊后分別稱量，按照總量的8%配比Al2O3的Al粉和CuO粉末，將粉末混合均勻壓制成塊，用鋁箔包緊密。2 熔化澆鑄。將7075鋁合金塊分別放入預設為900℃坩堝中放入加熱爐內(nèi)熔化，熔化后用坩堝鉗夾出來，再一塊一塊的加入預置塊。3 原位反應。等待加入完畢后，用石墨棒攪拌使反應發(fā)生完全。等待反應發(fā)生完全加入除氣塊去除水分和雜質氣體。4 邊攪拌邊用不銹鋼絲把雜質弄出，直到全部為流動液體，緩慢冷卻。等到冷卻至高于結晶溫度時倒入模具中澆鑄成型，同樣方法再澆鑄一組不加預置塊的作為對比試驗。在MRS10A摩擦磨損機上分別設置20N，30N，40N，50N和轉速為80r/min, 100r/min, 110r/min, 120r/min摩擦600s后稱量其磨損量。1 首先用感應天平稱量試樣并記錄，將試樣用膠固定在模具上，然后用卡具固定于磨損機的上部。2在摩擦盤內(nèi)放入大小適宜的圓型砂紙用固定，手動摩擦機下部讓與試樣解除56N，讓后“按施加載荷”按鈕施加達到預設載荷。3 在啟動前保證所有的按鈕復位。時間設為600s，壓力設為20N，轉速為80r/ min。啟動時同時按“啟動”、“時間復位”與計算機上的開始按鈕。4等到了預設時間后，機器自動停下，按“卸載”按鈕，手動搖下磨頭，取下試樣稱量并換砂紙做下一個試件。多次試驗后取其平均值，對比7075鋁合金與8%Al2O3/7075的耐磨性狀況數(shù)據(jù)記錄如下表23所示：表23 不同載荷與不同轉速下的磨損量材料 轉速載荷 90r/min100r/min110r/min120r/min7075鋁合金20N30N40N50N8%Al2O3/707520N30N40N50N試驗中運用金相顯微鏡、摩擦磨損機、線切割機等多種儀器對材料進行了分析測試。制備金相試樣，在金相顯微鏡下觀察復合材料的顯微組織。首先將復合材料制樣，金相及掃描電鏡觀察試樣制備過程如下：1 切割:用試樣切割機切割大小適宜握持和在顯微鏡下觀察的試樣，一般為觀察面10mmx15mm。 2 磨制:先用600號水砂紙在預磨機上預磨；然后依次使用800，1000，1200，號水砂紙在預磨機磨平。3 拋光:將預磨機上磨后的試樣用粗布進行粗拋；再用細拋光布進行精拋。4 清洗:用脫脂棉沾酒精輕擦，然后吹干試樣表面的酒精。5 腐蝕：4%的硝酸酒精溶液。6 觀察分析:用金相顯微鏡觀察組織圖像進行分析。采用HV300維氏硬度儀測量復合材料的硬度。在MRS10A型摩擦磨損試驗機上進行復合材料的耐磨性試驗。第三章 試驗結果與分析 金相組織分析 基體材料與復合材料組織的對比下圖為7075鋁合金與8%Al2O3/7075鋁基復合材料鑄態(tài)時的組織圖。(b)100μm100μm(a)(a)7075鋁合金 (b)8%Al2O3/7075鋁基復合材料，在澆鑄過程中由于加入Al2O3有效的阻止晶粒的長大，達到細晶強化的目的。組織更加均勻化機械性能提高，Al2O3顆粒可以很好地分散到基體中，分布比較均勻，A12O3顆粒與基體有很好的結合界面。從其中的金相組織圖可以看出，8%Al2O3/7075鋁基復合材料中有著與基體合金相似的結晶組織，對合金的金相組織沒有太大的影響，顆粒也沒有被推擠到結晶的界面上去。(b)中可以看出，A1203顆粒細小，接近球形，分散很均勻，在制樣、研磨、拋光過程中顆粒依然與基體牢固地結合在一起，可見A12O3顆粒與鋁硅合金基體有很好的相容界面，結合良好。%Al2O3/7075鋁基復合材料做摩擦磨損試驗后的圖像由圖中可以看出，與基體相比，復合材料表面的磨痕和犁溝狀條紋較淺。 (a)(b) 7075鋁合金 (a)與8%Al2O3/7075鋁基復合材料(b)摩擦表面 ，復合材料摩擦表面出現(xiàn)大量由半金屬摩擦材料轉移來的物質覆蓋整個摩擦界面。基體材料，圖(a)、(b)都為摩擦表面都呈現(xiàn)劃痕和犁溝痕跡，這主要是由磨粒磨損引起的。由于摩擦材料中有硬質顆粒的存在，并且從復合材料摩擦表層脫落的增強顆粒也會成為磨粒參與三體磨損，在摩擦引起的高溫下，鋁合金基體的強度降低，更容易發(fā)生硬質顆粒犁削復合材料基體的情況。劃痕和犁溝的寬度和深度主要與復合材料基體的硬度、強度，以及增強顆粒的尺寸、施加載荷的大小、配副摩擦材料中硬質點的情況等有關。隨著復合材料硬度和強度的提高，磨粒刺入復合材料基體的深度減小，犁溝的深度和寬度減小，受磨粒磨損控制的磨損量降低。隨著復合材料強度和表面硬度的逐漸增加，(a)、(b)的劃痕和犁溝由寬逐漸變細，相應的隨著劃痕變細，說明摩擦表面受磨粒磨損的程度降低，磨損量減少，這與前一章的試驗結果是一致的。硬度是衡量材料軟硬程度的一種力學性能，一般可以認為，硬度是指材料的一個區(qū)域抵抗變形或破壞的能力。本試驗測量復合材料的維氏硬度，對于每一個試樣，取五個不同位置測硬度值，將其平均值作為材料的硬度值。(HV) 7075鋁合金與含8%Al2O3/7075鋁