熔铸温度对al3nb_铝基复合材料硬度及_摩擦磨损性能影响的研究毕业论文(编辑修改稿)

熔铸温度对al3nb_铝基复合材料硬度及_摩擦磨损性能影响的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

基原位复合材料的制备方法 金属基原位复合材料的制备方法很多，依照反应物的初始状态，可分为固 液反应，固 固反应，液 液反应和气 液反应 4种反应模式 [1315]。 (1)固 液反应法，固 液反应法是目前研究较广的一种复合工艺。 一般是将反应物粉末与金属熔体混合，使加入粉术 与金属熔体成分反应或自行分解，生成难熔的高硬度质点，均匀分散在基体中，形成复合材料。 该复合工艺的特点是成本较低，反应材料种类较多，复合后的材料组织细密。 固 液反应法根据反应原理可分为： ① 直接反应法 将固态碳粉或硼粉直接加入到高温合金熔体中，使 C或 B同合金熔体中个别组元反应，从而在基体中形成碳化物或硼化物的增强粒子 [1 17]。 ② 还原反应法 该法利用了化学的还原反应原理，即将不稳定的化合物加入到合金熔体中，使合金熔体中的组元与加入的化合物发生热还原反应，生成所需要的更加稳定的陶瓷或金属间化合物增强相 [1 19]。 ③ 反应挤压铸造法 该法的基本原理是将基体金属液挤压渗透到由反应物制成的预制体中，通过其与基体金属或其中的某一组元反应生成新的增强相，从而达到强化基体的目的。 Fukunaga等首先将反应压铸法用于自生 A1203粒子增强金属间化合物基复合材料的制备 [20]。 (2)固一固反应法，在该工艺中，增强相是由固相组元间的反应生成的，通过固相间原子扩散来完成，通常温度较低，增强相的长大倾向较小，有利于获得超细增强相，但是该工艺效率较低。 属于此方法的复合工艺有自蔓延高温合成法 (SHS)、 XDTM法、接触反应 法、混合盐反应法和机械合金化 (MA)法等。 金属基原位复合材料的研究趋势与展望 金属基原位复合材料作为材料家族的一支新军，虽然其发展历史只有几十年，内蒙古工业大学本科毕业论文 7 但己显示出强大的生命力。 因为它具有高强度、延伸率好，而且具有生产设备廉价，工艺简单，节能高效，产品质量高等优势，所以越来越受到国内外材料工作者的关注。 但由于金属基原位复合材料的研究时问较短，在制备工艺、增强机制、材料性能及应用等方面还存在一些问题，有待于进一步研究及完善。 目前，对金属基原位复合材料的研究主要集中在以下几个方面： ① 金属基原位复合材 料的制备工艺研究和创新； ② 研究增强相的形成机理，进一步完善反应热力学、动力学体系。 研究反应控制过程的方法，以便能控制反应速度以及生成增强相的大小、形状和分布； ③进一步研究增强体与基体的金属学关系，显微组织与力学性能的关系； ④ 进一步研究增强相对材料的强化机制及增韧机制。 就目前的实际情况来看，颗粒增强复合材料具有很强的生命力，并已在汽车等方面初步获得应用。 颗粒增强金属基复合材料概述 颗粒增强金属基复合材料是金属基复合材料的一个分支，属于颗料分散相复合材料的一种。 这种复合材料的增强体是主要的承载者 ，基体的作用在于传递载荷和便于加工。 基体材料可以是有色金属，也可以是黑色金属。 由于颗粒增强金属基复合材料可以使用目前已知的金属做基体，因而其具有性能的可控制性，所以目前已逐渐引起人们的关注。 颗粒增强金属基复合材料 颗粒增强金属基复合材料 (Particulate Reinforced Metal Matrix Composites，简称PRMMC)是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点 (韧性和塑性好 )和增强颗粒优点 (高硬度和高模量 )的复合材料。 PRMMC具有增强体成本低 ，微观结构均匀，材料各向同性，可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进行加工等优点，因而倍受关注。 由于增强颗粒的加入， PRMMC具备了一些不同于基体合金的物理和机械性能。 力学性能方面， PRMMC的弹性模量随增强颗粒的体积分数的增大而增大，强度也有不同程度的增加。 延伸率则随颗粒体积分数的增大而减小。 材料的拉伸性能则受增强颗粒的尺寸、分布及体积分数等多种因素的影响。 磨损性能的提高是 PRMMC的重要特性之一，由于碳化物粒子等增强颗粒的存在，PRMMC具有优异的耐磨性能。 对 PRMMC的磨损性能研究表明，磨损抗力随着增强内蒙古工业大学本科毕业论文 8 颗粒体积分数的增加可以显著增加，且颗粒尺寸越大，其耐磨性越好。 颗粒增强铝基复合材料 颗粒增强铝基原位复合材料的优点 颗粒增强铝基原位复合材料具有高比强度、高比模量、低密度、低热膨胀系数和良好的耐磨性等优良性能，目前在航空航天及汽车工业中得到广泛应用。 颗粒增强铝基原位复合材料的制备特点 颗粒增强铝基复合材料的原位合成是通过元素间或化合物间的化学反应，在铝基体内原位生成一种或几种高硬度高弹性模量的陶瓷材料增强体，从而达到增强铝基体的目的。 由于增强体是反应合成的，内生 于基体之中，因而具有许多外加强化相强化铝基复合材料所不具有的独特优点： (1)增强体在铝基体上原位形核、长大，具有强界面结合、良好的相容性； (2)通过选择反应物来控制增强体种类、大小和数量，并可以通过工艺来控制其大小和分布，不易出现增强体的团聚和偏析； (3)省去了增强体的预处理，简化了工艺流程，成本也相对降低： (4)增强体颗粒细小，往往处于微米级或微米以下，能保证铝基复合材料不但有良好的韧性和高温性能，而且有很高的强度和弹性模量； (5)能与铸造工艺结合，直接制造出形状复杂、尺寸变化大的近终形产品。 原位反应合成的铝基复合材料，具有细晶粒组织结构，生成的增强体细小，可达到 1微米粒度以下，且增强体与基体合金界面结合良好，具有优良的机械性能，更高的耐磨性能和高温性能。 颗粒增强铝基原位复合材料的增强体 原位合成铝基复合材料的增强体是由材料内部反应合成的，相比于外加的增强体，其可选择的种类较少，其中以粒子形态的增强体为主。 内蒙古工业大学本科毕业论文 9 颗粒增强铝基原位复合材料的应用 在航空航天方面， Al356和 Al357／ SiC颗粒增强铝基原位复合材料可制造飞机液压管，直升飞机支架和阀体。 2099铝合金 +25％ SiC材料可以制造火箭发动机零件。 美国 DwA特种复合材料公司用 (SiCp)25％增强 6061铝合金基复合材料代替 7075铝合金生产宇航结构导槽、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镜的基片和导弹机翼。 在汽车制造方面，几乎所有的欧美汽车制造厂，在研究采用金属基复合材料制造制动盘、制动鼓。 国内已将铝基复合材料应用于刹车轮，使其重量减少了 30％～ 60％，且导热性大大改善。 颗粒增强铝基原位复合材料还可用于制造自行车、 医疗器具、运动器械等其他高性能要求的零部件。 尤其现在研究较多的碳化硅颗粒增强铝基复合材料性能优异，用作功能材料，可望在机械、冶金、建材、电力等工业部门得到更广泛的应用。 研究意义 Al、 Nb合金是 Al基铸造合金中最重要的一个系列，占铝铸件产量的 85％～ 90％，主要原因是它具有低密度、高强度、另外，焊接、铸造、耐磨、耐热性能好等优点，被广泛地应用于航空、航天和汽车领域。 近年来，原位合成颗粒增强铝基复合材料因其一方面具有高的比强度，比刚度，低的热膨胀系数，耐磨损，成本低等优点，另一方面由于其增强体在熔体内 反应生成，具有尺寸小，界面洁净无污染，热稳定性好，且与基体界面相容性好等特点，在航空，航天以及兵器和车辆等领域中，获得了迅速的发展，是一种理想的新型结构材料，以成为铝基复合材料研究中的一个重要的研究方向。 自反应原位生成增强体的铝基复合材料是复合材料领域中的一种新的制备方法，由于具有制备工艺相对简单，材料制造成本低等优点而日益受到人们的重视。 对于单相增强铝基复合材料的研究取得了长足的进步，日本丰田公司在1983年首次成功地用 A12O3／ A1基复合材料制备了发动机活塞，与原来铸铁发动机活塞相比，质量减轻了 5％～ 10％，导热系数提高了 4倍左右。 美国一汽公司研制了用 SiC颗粒增强的 A Si、 Mg基复合材料制成的刹车轮； Dural公司采用搅拌熔铸法研制了 A12O3／ 6061Al复合材料，用作汽车传动轴，与钢传动轴相比，不平衡临界速度提高了 14％，在国内，哈尔滨工业大学，上海交通大学，山东大学等对复合材对 A12O TiB TiC、 SiC等单一颗粒增强 Al基复合材料进行了大量的研究，然而单内蒙古工业大学本科毕业论文 10 一增强体已经不能完全满足材料需要具备更高性能的要求，因此开发具有更多性能的铝基复合材料是当今材料发展的必然趋势，对于多相增强铝基复 合材料的研究目前已经引起了很多学者的青睐，而对于 ALNb间化合物的研究却更是少见，目前也只是只是在 ALNi， ALMg， AlFe，进行过研究，而用反应铸造法制备 NbAl铝基复合材料的研究却很少有人涉及。 由于 NbAL原位反应生成的 AL3Nb金属间化合物具有优越的性质，作为增强颗粒，与铝相容性很好，是理想的增强颗粒，所以研究它无疑对 ALNb化合物增强铝基复合材料的研究增加更多的参考价值，本文采用反应铸造法原位合成 Al3Nb颗粒增强 铝基复合材料，也正是基于增强体优越的性质，以及反应铸造原位合成制备技术 成本较低，工艺简单，容易操作。 研究内容 主要研究内容为原位复合材料的制备工艺、增强相尺寸控制、原位复合材料的最佳成分选择、常温力学性能检测、增强相与基体界面的金属学特征、增强机制的分析和讨论。 研究 AlNb系统，以纯铝为机体，分别采用熔体反应方法制备 (Al3Nb)复合材料，分别探讨了不同的反应工艺参数对复合材料组织性能的影响，通过实验方案， 熔铸温度对铝基复合 材料性能的影响因素进行了研究，并最终找到最佳的 熔铸温度。 采用光学显微镜 观察 Al3Nb颗粒增强 铝基复合材料 的 形貌及分布、 颗粒的大小等。 采用硬度计测 试不同熔铸温度的硬度 力学性能。 立式万能磨损试验机 测试不同熔铸温度的 耐摩擦 磨损 程度。 从而通过 显微组织的关系对 Al3Nb颗粒增强铝基复合材料的力学性能进行分析。 铌与铝形成的金属间化合物具有优良的高温强度、较高的熔点和较低的密度。 这种材料与目前广泛研究和应用的 Fe． Al系、 Ni． Al系、Ti． Al系相比，具有更高的熔点和适中的密度，是一种潜在的高温结构材料。 同时，Nb． A1也可作为一种高电流、高磁场下的超导材料来使用。 由于具有复杂的晶体结构和有限的滑移带，铌铝金属间化合物的室温塑性和韧性差，因此，提高延性和增韧是 其获得工业应用的必备条件。 内蒙古工业大学本科毕业论文 11 第二章颗粒增强铝基原位复合材料的制备 实验材料 本实验所需合金材料成分如下： 不同 熔铸温度对对颗粒增强铝基复合材料 的影响 实验用的基体为工业纯铝（ %），铌粉（ Nb)纯度： %，粒度： 300 目，以下图表为工业纯铝的成分。 （试样总质量为 100g） 表 21 试验用工业纯铝的化学成分表， wt% Al Fe Si Cu Ca。