电渣重熔法原位制备铝基复合材料的研究

发布时间：2016-07-18 18:00

  本文关键词：颗粒增强铸造铝合金的研究现状，由笔耕文化传播整理发布。

《上海交通大学》 2011年

电渣重熔法原位制备铝基复合材料的研究

李盼  

【摘要】：本文创新性的采用电渣重熔(ESR)工艺成功制备了TiB_2/Al和Al_3Ti/Al复合材料,将参加原位反应的氟盐和精炼剂作为渣剂建立渣池,通过自耗电极铝棒与渣池接触形成铝熔滴与氟盐发生原位反应从而获得增强相颗粒。借助光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDX)等材料检测设备和手段分析了复合材料以及渣皮的物相和显微组织形貌,重点研究了不同的渣剂成分,电制度对原位制备过程的影响,对原位合成工艺的稳定性和均匀性进行了验证,讨论了ESR工艺对原位合成过程的作用机制,考察了不同增强体积分数复合材料力学性能,并分析了复合材料强化机制。研究表明: 采用ESR工艺原位制备TiB_2/Al和Al_3Ti/Al复合材料在工艺上是可行的,KBF_4和K_2TiF_6不适合单独作为渣剂,以(KCl+NaCl+Na_3AlF_6)和(KBF4+K_2TiF_6)共同作为渣剂时,会有大量的TiB_2生成;TiB2颗粒弥散分布,部分偏聚在晶界处;Al_3Ti粒子均匀分布,呈现出短棒状、长条状和小块状三种不同的形貌。 熔炼时间随着熔炼电流的增大而减小,渣池温度随着熔炼电流的增大而升高。通过微观组织分析,确定了熔炼电压为15V下的最佳熔炼电流为600A,此时氟盐反应最为充分,TiB_2粒子分布均匀。ESR原位反应存在非稳定性和非均匀性,在渣池形成过程中容易产生夹渣和表面渣沟;由于原位反应过程中渣池中的钛盐不断消耗,熔炼时间较短,Al_3Ti来不及扩散,导致制备的复合材料锭子中Al_3Ti粒子出现了自下而上由浓变疏分布不均,中间部位Al_3Ti粒子呈短棒状,上部Al_3Ti粒子为片状。 ESR工艺通过电极末端、金属熔滴和金属熔池与渣池的三个阶段的接触,改善了原位反应中反应物之间的接触面积,同时由于受到电磁力,电动力等多种力的综合作用下,渣池的剧烈搅拌运动加剧了渣金界面的更新,极大的提高了原位反应效率,促进了盐渣与TiB_2粒子的分离。获得的棒状Al_3Ti平均尺寸为5μm,远小于传统铸造法制备的Al_3Ti尺寸。 TiB_2/Al和Al_3Ti/Al复合材料的硬度、抗拉强度、屈服强度较纯铝基体有了大幅提高,5vol%TiB_2/Al和Al_3Ti/Al复合材料的布氏硬度和抗拉强度分别提高了75%和50%以上,但塑性下降较多。而且综合力学性能与传统混合盐法制备法相比稍差,主要是因为在电渣熔炼过程中渣与铝熔体没能很好分离,部分渣剂进入到复合材料成为有害夹杂物。拉伸断口的主要以韧窝为主,又有部分脆性解理面,属于混合断裂。

【关键词】：
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TB331
【目录】：

摘要5-7

ABSTRACT7-12

第一章 绪论12-32

1.1 复合材料概述12-15

1.1.1 复合材料的定义和分类12-13

1.1.2 金属基复合材料的分类和基本性能13-15

1.1.3 金属基复合材料的制备方法15

1.2 颗粒增强金属基复合材料概述15-19

1.2.1 颗粒增强金属基复合材料的组成16

1.2.2 颗粒增强金属基复合材料基体的选择16-17

1.2.3 颗粒增强金属基复合材料增强体的选择17-19

1.3 颗粒增强铝基复合材料概述19-26

1.3.1 颗粒增强铝基复合材料的力学性能20-21

1.3.2 外加颗粒制备铝基复合材料研究现状21-22

1.3.3 原位反应法制备铝基复合材料研究现状22-26

1.4 电渣重熔技术发展概述26-30

1.4.1 ESR 工艺基本原理27-28

1.4.2 ESR 工艺特点28-29

1.4.3 ESR 工艺制备复合材料研究进展29-30

1.5 课题的研究意义及研究内容30-32

1.5.1 研究意义30-31

1.5.2 研究内容31-32

第二章 材料及试验方法32-40

2.1 复合材料成分的选择32-33

2.1.1 增强相的选择32-33

2.1.2 反应体系的选择33

2.2 实验材料33-34

2.2.1 配料计算33-34

2.2.2 自耗电极棒准备34

2.2.3 渣剂和氟盐准备34

2.3 实验原理及过程34-37

2.3.1 ESR 设备34-35

2.3.2 实验原理35-36

2.3.3 工艺路线36-37

2.4 工艺参数分析设计37

2.4.1 渣剂配比37

2.4.2 ESR 电压37

2.4.3 ESR 电流37

2.5 微观及性能分析测试37-40

2.5.1 材料成分分析37

2.5.2 材料物相分析37-38

2.5.3 微观组织观察38

2.5.4 力学性能测试38-39

2.5.5 硬度测试39-40

第三章 ESR 原位制备Ti82颗粒增强铝基复合材料研究40-60

3.1 引言40

3.2 Al-K_2TiF_6-KBF_4 体系原位反应热力学分析40-41

3.3 ESR 原位制备TiB_2/Al 复合材料微结构41-45

3.2.1 TiB_2/Al 复合材料及渣皮物相分析41-43

3.2.2 TiB_2/Al 复合材料组织及微观形貌43-45

3.4 ESR 原位制备Ti82/Al 复合材料工艺参数分析45-55

3.4.1 ESR 渣制度工艺参数45-48

3.4.2 ESR 电制度工艺参数48-53

3.4.3 ESR 工艺对原位合成过程的作用机制53-55

3.5 TiB_2/Al 复合材料力学性能研究55-58

3.5.1 硬度55

3.5.2 强度55-57

3.5.3 延伸率57-58

3.5.4 断口分析58

3.6 本章小结58-60

第四章 ESR 原位制备Al_3Ti 颗粒增强铝基复合材料研究60-76

4.1 引言60

4.2 Al-K_2TiF_6 体系原位反应热力学分析60-61

4.3 ESR 原位制备Al_3Ti/Al 复合材料微结构61-67

4.3.1 Al_3Ti/Al 复合材料物相分析62-63

4.3.2 Al_3Ti/Al 复合材料组织及微观形貌63-67

4.4 ESR 工艺对Al- K_2TiF_6 原位合成过程的影响67-71

4.4.1 炼渣工艺对原位反应的影响67-68

4.4.2 ESR 原位反应的稳定性研究68-70

4.4.3 ESR 工艺对增强相颗粒的影响70-71

4.5 Al_3Ti/Al 复合材料性能研究71-74

4.5.1 硬度71-72

4.5.2 强度72-73

4.5.3 延伸率73

4.5.4 断口分析73-74

4.6 本章小结74-76

第五章 结论及展望76-78

5.1 主要结论76-77

5.2 研究展望77-78

参考文献78-83

致谢83-84

攻读硕士学位期间发表的论文及专利84

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本文编号：72932