Al-TiO-,2--X及Al-Fe-,2-O-,3-系原位反應(yīng)合成復(fù)合材料的研究.pdf

1、本文系統(tǒng)分析了Al-TiO2-X系的熱力學(xué)、動力學(xué)，結(jié)合Merzhanov熱力學(xué)判據(jù)和XD原位反應(yīng)法的特點選擇合適的增強相體積分?jǐn)?shù)，成功制備了體積分?jǐn)?shù)分別為30％和40％的Al-TiO2-X系鋁基復(fù)合材料，系統(tǒng)分析了反應(yīng)產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)及其與基體的界面結(jié)構(gòu)。建立了Al-TiO2基本反應(yīng)系的動力學(xué)模型，并系統(tǒng)分析和研究了該系復(fù)合材料的常溫和高溫力學(xué)性能，常溫和高溫磨損性能及其增強機理和磨損機理。同時還運用Al-Fe2O3反應(yīng)系成功制備了鑄鐵

2、管陶瓷內(nèi)襯，并初步探討了該系的反應(yīng)機理和陶瓷內(nèi)襯鑄鐵管的隔熱性能。 系統(tǒng)計算了Al-TiO2-X系反應(yīng)熱力學(xué)，計算表明該系中各反應(yīng)均能自發(fā)進(jìn)行，理論燃燒溫度Tad均超過Merzhanov反應(yīng)自我維持的1800K判據(jù)值。在增強相體分?jǐn)?shù)為30％、40％時，理論燃燒溫度在1800K左右，結(jié)合XD原位反應(yīng)法的特點，理論上可制備增強相體積分?jǐn)?shù)為30％和40％的鋁基復(fù)合材料。 系統(tǒng)摸索了Al-TiO2-X系XD合成鋁基復(fù)合材料的制備

3、工藝，得出一套較為合理的工藝參數(shù)。并在此基礎(chǔ)上成功地制備出了體積分?jǐn)?shù)分別為30％和40％的鋁基復(fù)合材料。特別是通過工藝探索發(fā)現(xiàn)1)在理論燃燒溫度低于Merzhanov判據(jù)值時可通過提高升溫速率來保證反應(yīng)正常進(jìn)行。2)在理論燃燒溫度高于Merzhanov判據(jù)值時，升溫速率太低仍不能使反應(yīng)正常進(jìn)行。3)一般在增強相體積分?jǐn)?shù)低于10％時，即-使提高升溫速率也難以保證反應(yīng)正常進(jìn)行。 運用TEM、SEM、EDS、X-Ray、金相等手段系統(tǒng)

4、分析和鑒定了Al-TiO2-X系各反應(yīng)系的反應(yīng)產(chǎn)物：Al2O3、Al3Ti、TiB2、TiC，及其微觀結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)。首次發(fā)現(xiàn)： 1)Al2O3晶粒在兩個晶面(111)和(112)上發(fā)生孿晶，孿生方向分別為[112]和[221]。Al2O3與基體不潤濕，不存在位向關(guān)系，不能成為鋁基體結(jié)晶時的核心。一般偏聚在基體顆粒的界面，為穩(wěn)定的α型結(jié)構(gòu)。 2)TiB2與鋁基體存有以下位向關(guān)系：[231]Al//[001]TiB2，(2

5、0(4))aL//((2)40)TiB2它可以成為鋁基體結(jié)晶時的核心，細(xì)化基體晶粒，同時又可使Al2O3的分布均勻性提高。3)在Al-TiO2-X系中棒狀物Al3Ti的量隨X/TiO2摩爾比的提高而逐漸減少，在摩爾比為一定值時，Al3Ti基本消失。 4)有的Al3Ti貫穿于多個基體顆粒，并在基體中的均勻分布。在Al-TiO2系中，Al3Ti的形貌隨增強相體積分?jǐn)?shù)的提高由細(xì)長形向粗短形演變。 5)TiC在基體中的分布均勻，

6、與基體的共格性好，有的被基體潤濕，能成為基體結(jié)晶時的外來核心，基體晶粒明顯細(xì)化。 通過動力學(xué)分析與計算獲得Al-TiO2-X系各反應(yīng)的反應(yīng)活化能，以及各反應(yīng)系的燃燒穩(wěn)定化系數(shù)。建立了Al-TiO2-X反應(yīng)系中最基本的Al-TiO2反應(yīng)動力學(xué)模型，并分析和研究了其主要影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)液態(tài)Al首先與分散在基體中的TiO2顆粒接觸在1000K左右時發(fā)生液固化學(xué)反應(yīng)，生成熱力學(xué)穩(wěn)定的Al2O3和活性的Ti原子，由于Al2O3與液態(tài)Al

7、的不潤濕性，偏聚于反應(yīng)界面，而活性鈦原子則在高溫和濃度梯度的作用下穿過反應(yīng)界面進(jìn)入基體Al液中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)界面逐漸減少，同時界面處的Al2O3顆粒增加，Ti原子的擴散阻力增加。該系的其它反應(yīng)均是在其基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)： 1)常溫下該系復(fù)合材料的力學(xué)性能與基體相比提高3～5倍，同一反應(yīng)系中其力學(xué)性能隨X/TiO2摩爾比的提高而提高，一般在18％～30％，與此同時延伸率均隨之增加，增幅在30％～150

8、％。當(dāng)Al-TiO2-X系列中有棒狀物時，斷口表現(xiàn)為棒狀物的解理斷裂以及等軸細(xì)小韌窩：無棒狀物時，斷口則為均勻而細(xì)小的等軸韌窩，斷裂為韌性斷裂。 2)高溫下723K時，該系中材料的最低的抗拉強度仍達(dá)80MPa，延伸率提高近一倍。當(dāng)材料中有棒狀物時，斷口表現(xiàn)為棒狀物從與基體中結(jié)合相對弱的一側(cè)拔出形成的洞坑以及等軸韌窩；當(dāng)材料中無棒狀物時，斷口表現(xiàn)為均勻細(xì)小韌窩，并隨試驗溫度的提高韌窩變淺、變大。 3)Al-TiO2-X系中

9、未加組元X時，復(fù)合材料的強化機制為位錯塞積強化＋彌散強化，而加入組元X后，強化機制為位錯強化、奧羅萬強化、細(xì)晶強化三種機制的組合。 磨損試驗表明： 1)常溫下在相同條件時，Al-TiO2系耐磨性最差，磨面易出現(xiàn)垂直于滑行方向的微裂紋。Al-TiO2-C系、Al-TiO2-B2O3-C系、Al-TiO2-B2O3系耐磨性依次提高。增強相中Al3Ti在亞表層區(qū)受彎曲應(yīng)力，易產(chǎn)生微裂紋，在接近磨面表層時碎裂成磨粒，對基體產(chǎn)生犁

10、削作用，對耐磨性的提高不利;而TiC、TiB2尺寸細(xì)小，分布均勻，可細(xì)化基體，改善組織分布，對提高耐磨性有利。 2)Al-TiO2-X系XD合成的鋁基復(fù)合材料的磨損量與滑動速度的變化規(guī)律相似，室溫時磨損量的峰值發(fā)生在0.9m/s左右，試驗溫度提高時，該峰值將向速度減小的方向移動。 3)Al-TiO2-X系鋁基復(fù)合材料的顯微組織總體上可分為三種類型：1)偏聚顆粒Al2O3＋棒狀物Al3Ti：2)均勻顆粒＋棒狀物Al3Ti；

11、3)均勻顆粒。磨損機制為磨粒磨損、氧化磨損和粘著磨損的組合。第一種類型：磨損以磨粒磨損為主，粘著磨損、氧化磨損為輔。第二種類型：磨粒磨損減弱，粘著增強。第三種類型：磨損以粘著磨損為主，磨粒、氧化磨損為輔。 成功地運用原位反應(yīng)技術(shù)在鑄鐵管中生成陶瓷內(nèi)襯。摸索發(fā)現(xiàn)較佳的添加劑為SiO2，并得出陶瓷層的厚度和反應(yīng)時熔池的移動速度與添加劑加入量的變化規(guī)律。 通過陶瓷內(nèi)襯鑄鐵管的隔熱性能研究得出: 1)陶瓷層的阻熱效果明顯