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振动和压力场作用下TiB2和ZrB2增强Al-Cu基复合材料的组织及力学性能研究
罗钧毅1
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摘要
随着节能减排要求的日益提高和绿色铸造趋势的不断发展，交通、航空航天等领域对高强韧轻量化安全结构件需求不断增强。纳米颗粒增强铝基复合材料因其高比强度、高比刚度、高弹性模量、高耐磨性和低密度的优势，成为制造交通、航空航天等领域结构件的首选材料之一。然而，纳米级别的颗粒易团聚，易成为裂纹萌生点和扩展路径，导致复合材料强、韧化性能不可兼得。这限制了纳米颗粒增强铝基复合材料的使用。采用振动和压力外场可以显著的改善颗粒的分布，从而改善复合材料的强韧化性能。 本文基于 Al-Ti-Zr-B 反应体系，通过混合盐法原位生成了纳米 TiB2和ZrB2颗粒，在液相线以上对复合材料熔体施加超声和机械振动，并采用挤压铸造压力成型，制备出了(TiB2+ ZrB2)/Al-Cu复合材料。施加外场有效的改善了纳米颗粒团聚问题，提高了颗粒分布的均匀性，从而显著提高了复合材料的力学性能，耐磨性能和抗蠕变性能。具体研究内容如下： （1）采用混合盐原位生成法，通过在Al-Cu合金熔液中加入氟盐并辅以机械搅拌成功制备出纳米级 TiB2和 ZrB2陶瓷颗粒。振动和压力外场的施加提高了复合材料的力学性能。其中，施加超声和机械振动后，采用挤压铸造工艺获得的复合材料(UMSC)的抗拉强度和屈服强度分别为370 MPa和320MPa，延伸率为22%，这些参数比重力铸造(GC)复合材料分别提高了37%，128%和152%；比挤压铸造(SC)复合材料分别提高了 31%，92%和 100%；比超声振动+挤压铸造复合材料(USC)分别提高了10%，48%和47%。UMSC复合材料获得高强韧力学性能的原因在于超声振动和机械振动产生的空化效应打碎了熔体中因沉降而产生聚集和团簇的颗粒，并能使破碎的颗粒团均匀分散于熔体中；此外，机械振动产生的湍流效应可以促进液相和固相之间的相对运动，由此产生的冲击作用会导致枝晶断裂并成为晶核。最终，在压力场的作用下，铝基复合材料的凝固速度加快、形核速率增加，晶粒和纳米团簇得到进一步细化。 （2）振动和压力外场的施加提高了复合材料的耐磨性能。室温条件下摩擦磨损实验表明：5N载荷条件下，重力铸造（GC）和挤压铸造（SC）复合材料的磨损机制主要表现为严重的粘着磨损，附带疲劳磨损和轻微磨粒磨损。超声振动+挤压铸造(USC)复合材料粘着磨损程度降低，磨粒磨损明显。而UMSC复合材料的磨损机制变成典型的磨粒磨损；10N载荷条件下，除了UMSC复合材料外其余均表现为严重的粘着磨损。相比GC复合材料，施加振动场和压力场复合材料的常温耐磨性能得到显著提升，其中UMSC常温耐磨性最好，这主要是因为振动场和压力场可以显著改善纳米 TiB2和 ZrB2颗粒团聚现象，使其相对分布更均匀，从而减少颗粒团聚处应力集中，减少开裂可能性，同时分布均匀的颗粒可以有效提高整个材料的硬度，抵抗材料的塑性变形从而提高耐磨性。 （3）高温条件下摩擦磨损实验表明：高温时(TiB2+ ZrB2)/Al-Cu复合材料的耐磨损性能明显高于Al-Cu基体合金。GC、SC、USC以及UMSC材料磨损性能分别比Al-Cu基体合金提高6%、15%、20%和65%。此时，TiB2和 ZrB2颗粒在晶界处的钉扎效应有效抵抗材料的塑性流变，物理外场的施加改善了增强颗粒的尺寸和分布，强化了这一效应。 （4）铝基复合材料的稳态蠕变速率变化规律为：UMSC＜超声振动挤压铸造(USC)＜SC＜GC。其中UMSC试样的抗蠕变性能，分别为GC试样的3.5~19倍，SC试样的2.3~6倍，USC试样的1.5~1.8倍。应力指数na和蠕变激活能Qa表明基体合金和复合材料的蠕变变形速率均由位错攀移所控制。
关键词
铝-铜基复合材料/二硼化钛纳米颗粒/硼化锆纳米颗粒/挤压铸造/振动作用/压力场/力学性能/耐磨性能引用本文复制引用
授予学位
硕士学科专业
机械工程导师
姜云学位年度
2023学位授予单位
贵州大学语种
中文中图分类号
TG