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液态机械搅拌铸造法制备SiC_p/6061Al复合材料

作　者: 王乐军
导　师: 刘胜新；郭建
学　校: 郑州大学
专　业: 材料学
关键词: SiC颗粒 铝基复合材料 分布均匀性 界面反应 力学性能
分类号: TG249.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


碳化硅颗粒增强铝基(SiC_p/Al)复合材料具有高比强度和比刚度,良好的耐磨性、尺寸稳定性,以及低的热膨胀系数等优异的力学性能和物理性能,且制备加工成本低,在汽车、电子、军事、航空航天等领域具有广泛的应用前景,世界各国已将其列为21世纪新材料开发应用的重要方向。在粉末冶金、喷射沉积、压力浸渗、搅拌铸造等主要制备工艺中,搅拌铸造尤其是液态机械搅拌铸造法制备的SiC_p/Al复合材料具有优异的力学性能和物理性能,且工艺、设备简单,成本低廉,是一种最具有发展潜力的SiC_p/Al复合材料的制造方法。研究SiC_p/Al复合材料的液态机械搅拌铸造工艺对于复合材料的推广应用具有极其重要的意义。本文在Ar气保护下,采用液态机械搅拌铸造法制备了SiC_p/6061Al复合材料。通过金相观察(OM)和扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)及X射线衍射(XRD)等分析手段,系统研究了搅拌工艺参数、合金元素、搅拌装置及SiC颗粒预处理等因素对SiC颗粒分布均匀性及SiC颗粒与Al液之间界面反应的影响,分析了复合材料中铸造缺陷形成的原因,并对其力学性能进行了测试。研究结果表明,当气流量为0.4 m~3/h、搅拌温度为740℃、搅拌速度为1200 r/min、搅拌时间为20 min及静置时间短时,SiC颗粒分布相对均匀,界面反应相对较轻,铸造缺陷相对较少。随着基体合金中Mg或Si含量的增加,SiC颗粒与Al液之间的界面反应得到抑制,但SiC颗粒的团聚、偏聚增加,气孔率增大。采用八层表面带螺纹的棒状搅拌叶片,并添加螺旋钢圈作为辅助搅拌装置时,SiC颗粒的团聚、偏聚及链状、环状分布减少,分布相对均匀,SiC颗粒在熔液中呈梯度分布的现象明显改善,由熔液氧化、吸气产生的铸造缺陷大大减少。在SiC颗粒表面镀Ni-P,并在真空状态下进行低温热处理时,SiC颗粒与Al液之间的润湿性得到明显改善,SiC颗粒在基体中整体分布更均匀,而且SiC颗粒与Al液之间的界面反应得到抑制,界面结合良好。随着SiC颗粒分布均匀性的改善及界面反应的减轻,复合材料的力学性能大大提高,抗拉强度达到218 MPa,SiC颗粒的增强效果显著。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-25
  1.1 引言  10
  1.2 SiC_p/Al复合材料的制备方法  10-18
    1.2.1 固相法  11-13
    1.2.2 液相法  13-16
    1.2.3 液固两相法  16-17
    1.2.4 原位合成法  17-18
  1.3 SiC_p/Al复合材料的界面  18-19
  1.4 SiC_p/Al复合材料的性能及其应用  19-23
    1.4.1 SiC_p/Al复合材料的性能  19-21
    1.4.2 SiC_p/Al复合材料的应用  21-23
  1.5 本文的研究目标及研究内容  23-25
    1.5.1 研究目标及研究内容  23-24
    1.5.2 技术路线  24-25
第二章 试验方法及分析手段  25-35
  2.1 液态机械搅拌铸造法  25
  2.2 实验设备及工具  25
  2.3 实验方案设计  25-30
    2.3.1 搅拌工艺参数设计  25-26
    2.3.2 合金元素成分设计  26
    2.3.3 辅助搅拌装置设计  26-28
    2.3.4 搅拌叶片设计  28
    2.3.5 SiC颗粒预处理方式设计  28-30
  2.4 SiC_p/6061Al复合材料的制备  30-33
    2.4.1 实验前的准备工作  30-32
    2.4.2 复合材料制备  32-33
  2.5 显微分析及性能测试  33-35
    2.5.1 金相式样的制备  33
    2.5.2 OM分析  33
    2.5.3 SEM分析  33-34
    2.5.4 EDS分析  34
    2.5.5 XRD分析  34
    2.5.6 性能测试  34-35
第三章 搅拌法制备复合材料中SiC颗粒的分布均匀性  35-60
  3.1 搅拌工艺参数对SiC颗粒分布均匀性的影响  35-43
    3.1.1 氩气流量  35-37
    3.1.2 搅拌温度  37-39
    3.1.3 搅拌速度  39-40
    3.1.4 搅拌时间  40-41
    3.1.5 静置时间  41-43
  3.2 合金元素对SiC颗粒分布均匀性的影响  43-46
    3.2.1 Mg  43-45
    3.2.2 Si  45-46
  3.3 辅助搅拌装置对SiC颗粒分布均匀性的影响  46-47
  3.4 搅拌叶片对SiC颗粒分布均匀性的影响  47-53
    3.4.1 叶片形状  47-49
    3.4.2 叶片大小  49-50
    3.4.3 叶片层数  50-53
  3.5 SiC颗粒预处理对SiC颗粒分布均匀性的影响  53-58
    3.5.1 高温热处理  53-55
    3.5.2 表面化学镀+低温热处理  55-58
  3.6 本章小结  58-60
第四章 搅拌复合SiCp/6061Al复合材料的界面反应  60-75
  4.1 搅拌工艺参数对界面反应的影响  60-67
    4.1.1 搅拌温度  62-64
    4.1.2 搅拌时间  64-67
  4.2 合金元素对界面反应的影响  67-70
    4.2.1 Mg  67-68
    4.2.2 Si  68-70
  4.3 SiC颗粒预处理对界面反应的影响  70-74
  4.4 本章小结  74-75
第五章 搅拌复合SiCp/6061Al复合材料的力学性能  75-81
  5.1 SiC颗粒分布均匀性对复合材料力学性能的影响  75-78
  5.2 界面反应对复合材料力学性能的影响  78-80
  5.3 本章小结  80-81
第六章 主要结论  81-82
参考文献  82-89
攻读硕士学位期间发表的学术论文  89-90
致谢  90

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