合金化与原位反应制备耐热铝基复合材料的组织及性能研究

发布时间：2020-03-22 04:18

【摘要】：为了充分挖掘高热稳定性铝化物Al3X(X=Ni、Zr、V)的高温强化效果,细化强化相尺寸及获得高体积分数的强化相,本文以传统铸造Al-Si-V合金、Al-Mg-Mn-V合金为基体,加入过渡族金属元素Ni粉和K2ZrF6盐,采用机械搅拌熔体原位反应法制备Al3Ni/Al-Si-V、Al3Ni/Al-Mg-Mn-V及Al3Zr/Al-Ni-Mg-Mn-V复合材料,期望通过生成Al3Ni、Al3Zr等高温强化相来提高复合材料的耐热性能。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜/能谱仪(SEM/EDS)一体化设备、万能拉伸试验机等检测设备研究了三种复合材料的显微组织和室温及高温力学性能。主要研究结果如下:(1)Al3Ni/Al-8Si-0.8V复合材料微观组织表明,根据加入Ni质量分数的不同,Al3Ni分别呈不规则颗粒状、针状、细小的四方形块状和圆形块状。随Ni含量的增加,复合材料抗拉强度下降,屈服强度提高。Ni含量为3%时,复合材料综合力学性能最好。退火不利于复合材料强度的提高。加入Al-5Ti-lB中间合金细化剂可使针状共晶硅的长径比减小,5%Ni所制备的Al3Ni/Al-8Si-0.8V复合材料的抗拉强度比不加细化剂时提高了9.5%。经T6热处理后,Al3Ni相在基体中的分布变得均匀,5%Ni复合材料的室温力学性能比铸态时有所提高。加入3%Ni所制备的Al3Ni/Al-8Si-0.8V复合材料200 ℃和300 ℃时的高温抗拉强度分别为143 MPa和138 MPa,屈服强度分别为89 MPa和78 MPa,断后伸长率分别为8.30%和5.24%。拉伸断口分析表明:复合材料在室温下以解理断裂机制为主,高温下可观察到大量的韧窝和撕裂棱,呈明显韧性断裂。(2)Al3Ni/Al-Mg-Mn-V 复合材料主要由α-Al 相、Al3Ni 相和 Al10V 相组成,其中Al10V相多以粗大的规则块状存在于基体中,对合金力学性能不利。Al3Ni相具有较高的耐热稳定性,能有效提高合金的高温抗拉强度。较高的熔炼温度有助于生成大量的Al3Ni相,抑制α-Al生长,提高复合材料强度。Al-5Ti-1B中间合金细化剂宜在浇铸前加入。加入5%Ni所制备的Al3Ni/Al-lMg-0.8Mn-0.8V复合材料室温抗拉强度和屈服强度分别为211MPa和107MPa,200 ℃时的高温抗拉强度和屈服强度分别为210 MPa和112MPa,其抗拉强度仅比室温时降低了 0.5%;300 ℃下的抗拉强度和屈服强度分别为170 MPa和85 MPa。拉伸断口分析表明,室温、200℃及300℃的拉伸断面由冰糖状沿晶断裂面和撕裂棱组成,呈韧脆混合型断裂,但在350 ℃高温下,断口处形成了大量韧窝,是典型的韧性断裂。(3)研究了机械搅拌对原位制备的Al3Zr/Al-xNi-1Mg-0.8Mn-0.8V复合材料的组织及力学性能的影响。结果表明,Al3Zr颗粒的形状对反应温度非常敏感,当在720 ℃时以600 r/min的转速搅拌5 min时,材料的整体性能最好。Al3Zr增强相含量2%时,复合材料的抗拉强度最高,达到189 MPa。Al3Zr/Al-xNi-lMg-0.8Mn-0.8V复合材料的微观组织形态随Ni含量的变化而呈现多样性。Ni质量分数为5.7%和6.5%时,复合材料的室温抗拉强度接近200 MPa,前者在200 ℃和300 ℃的高温抗拉强度分别为175MPa和166MPa,而后者200 ℃和300 ℃的高温抗拉强度分别为191 MPa和155 MPa。复合材料的室温、200℃及300℃微观断裂机制为沿晶断裂、解理断裂及局部的微孔聚合剪切断裂,而350℃时呈韧性断裂。(4)350 ℃高温拉伸试验结果表明,Al3Ni/Al-Mg-Mn-V复合材料和Al3Zr/Al-Ni-Mg-Mn-V复合材料的拉伸应力-应变曲线均具有稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,表现出一定的耐热性和抗蠕变性能。
【图文】：

图２－２邋（ａ）搅拌器形状及尺寸，（ｂ）搅拌截面图逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋（ａ）邋Ｔｈｅ邋ｓｈａｐｅ邋ａｎｄ邋ｓｉｚｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｔｉｒｒｅｒ，邋（ｂ）邋ｓｅｃｔｉｏｎａｌ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｔｉｒ逡逑的铝以调整熔体温度，使其在７８０邋°Ｃ左右。炉料全部熔化后，当合金液温度到６９０７４０邋°Ｃ时，用钟罩将精炼剂压入合金液内，距离坩埚底部１０？１５邋ｍｍ处，缓慢均匀动，直到反应停止后，取出钟罩。精炼后，静置５￣１０邋ｍｉｎ，然后去除合金液表面的渣，加入５％Ａｌ－５Ｔｉ－ｌＢ晶粒细化剂，浇注到永久性钢模中，制备出Ａｌ３Ｎｉ／Ａｌ－８Ｓｉ－０．复合材料、加入Ａｌ－５Ｔｉ－〗Ｂ细化剂的ＡｈＮｉ／Ａｌ－８Ｓｉ－０．８Ｖ复合材料。逡逑使用箱式电阻炉进行退火处理，当温度达到３００邋°Ｃ时放入所制备Ａｌ３Ｎｉ／Ａｌ－８Ｓｉ－０．８Ｖ复合材料，保温２ｈ；保温结束后随炉冷却。使用箱式电阻炉对经Ａｌ－５Ｔｉ－ｌＢ细化的Ａｌ３Ｎｉ／Ａｌ－８Ｓｉ－０．８Ｖ复合材料进行固溶和时效热处理：５３０邋°Ｃ邋Ｘｈ＋６０邋°Ｃ水淬＋１６０邋°ＣＸ４ｈ，时效结束后取出试样空冷。逡逑２．３．２邋ＡｂＮｉ／Ａｌ－Ｍｇ－Ｍｎ邋－Ｖ邋的制备逡逑把铝锭加入感应炉的石墨坩埚中，进行熔化；待铝基本熔化后，在熔体表面覆一°

逦合金化与康位反应制备eu热结基复合材料的组织及性能研究逡逑■邋ＩＩ逡逑１０．００逡逑图２－１浇铸模具形状及尺寸（单位：毫米）逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｔｈｅ邋ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃａｓｔｉｎｇ邋ｍｏｕｌｄ邋（ｕｎｉｔ：邋ｍｍ）逡逑吟逦逦邋ｃｒｕｃｉｂｌｅ逡逑图２－２邋（ａ）搅拌器形状及尺寸，（ｂ）搅拌截面图逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋（ａ）邋Ｔｈｅ邋ｓｈａｐｅ邋ａｎｄ邋ｓｉｚｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｔｉｒｒｅｒ，邋（ｂ）邋ｓｅｃｔｉｏｎａｌ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｔｉｒ逡逑的铝以调整熔体温度，使其在７８０邋°Ｃ左右。炉料全部熔化后，当合金液温度到６９０？逡逑７４０邋°Ｃ时，用钟罩将精炼剂压入合金液内，，距离坩埚底部１０？１５邋ｍｍ处，缓慢均匀转逡逑动，直到反应停止后，取出钟罩。精炼后，静置５￣１０邋ｍｉｎ，然后去除合金液表面的熔逡逑渣，加入５％Ａｌ－５Ｔｉ－ｌＢ晶粒细化剂，浇注到永久性钢模中，制备出Ａｌ３Ｎｉ／Ａｌ－８Ｓｉ－０．８Ｖ逡逑复合材料、加入Ａｌ－５Ｔｉ－〗Ｂ细化剂的ＡｈＮｉ／Ａｌ－８Ｓｉ－０．８Ｖ复合材料。逡逑使用箱式电阻炉进行退火处理，当温度达到３００邋°Ｃ时放入所制备的逡逑Ａｌ３Ｎｉ／Ａｌ－８Ｓｉ－０．８Ｖ复合材料
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】

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本文编号：2594467