论文部分内容阅读
随着高新技术的发展,产品对材料的性能追求愈来愈高,这使得新材料的开发和材料的优化改良成为材料研究领域的重要课题。原位纳米颗粒增强铝基复合材料在原位颗粒增强铝基复合材料的研究基础上发展而来,由于具有优良的物理、机械性能而备受关注。如何选择和优化原位反应体系,控制增强相颗粒在基体中的体积分数、尺寸、形貌和分布状况对促进铝基纳米复合材料的发展至关重要。
本文开发了铝基纳米复合材料制备新体系A356-K2ZrF6-KBF4-Na2B4O7,采用熔体反应合成法,优化反应组分,成功制备了含有两种纳米尺寸的ZrB2和Al2O3颗粒增强的A356基复合材料;利用DSC、XRD、OM、SEM、TEM等分析测试手段及ImageJ分析软件,研究了复合材料的相组成、增强相实际体积分数、凝固组织、内生颗粒的特征等;此外研究了声磁物理场对A356-K2ZrF6-KBF4-Na2B4O7体系反应过程及合成的复合材料的影响;并通过复合材料的室温拉伸试验,分析了复合材料的断裂机理。
实验结果表明,当A356-K2ZrF6-KBF4-Na2B4O7粉末组分摩尔比为3∶2.5∶1,初始反应温度为850℃,反应时间为30min,制备了颗粒体积分数分别为4.3%、6.8%和8.7%的A356基复合材料,反应收得率分别为86.0%、68.0%和58.0%。经XRD、SEM及TEM确定复合材料中包含两种颗粒增强相:Al2O3和ZrB2颗粒,其中通过TEM及高分辨像发现,Al2O3具有两种不同形貌,分别为长方体状和椭球状,且它们尺寸相当,0.1μm左右,分散均匀;而ZrB2单个颗粒形貌呈六边形,且尺寸达到0.1μm左右,但容易发生团聚,并分布在a-Al晶界处。复合材料中颗粒的存在,使基体A356的初生a-Al的发达枝晶组织发生细化,变成蔷薇状,且粗大的针状共晶硅相从100μm细化至10～20μm。
A356-K2ZrF6-kBF4-Na2B4O7体系反应过程中,分别施加超声、磁场及声磁复合场制备(Al2O3+ZrB2)/A356复合材料的结果表明:1、单一超声场作用下,复合材料中内生颗粒体积分数增大,颗粒分散度得到改善。超声功率为1.0kW,超声间歇作用总时间达到3min时,复合材料的微观组织达到最佳状态,颗粒体积分数从8.7%增加到10.2%,反应效率提高了10.0%。2、单一磁场作用下,复合材料中颗粒的分散效果虽未有超声作用时明显,但颗粒体积分数显著提高,当磁场强度≥0.10T时可达11.0%,较8.7%提高了26.4%。3、取单独施加时最佳的超声作用参数和磁场作用参数,复合作用于A356-K2ZrF6-KBF4-Na2B4O7体系中,制备的复合材料颗粒体积分数达12.1%,反应收得率达到80.7%,ZrB2颗粒尺寸约50nm,从团聚体上剥落,分散效果显著提高。此外,A356基体组织在物理场作用下也得到了明显改善,特别是声磁复合场作用下,初生a-Al晶粒细小,晶界明显增多,共晶硅从10～20μm的针状减小到2～5μm的颗粒状。
复合材料的室温拉伸性能表明,声磁复合场(超声作用参数:1.0kW/3min,磁场作用参数:0.10T/间歇作用始终)作用下合成的(Al2O3+ZrB2)/A356纳米复合材料抗拉强度σb和伸长率δ高达302MPa和9.1%,较单一场最优性能分别提高14.8%和48.5%,较未施加物理场时复合材料的抗拉强度提高了34.2%,且伸长率是未施加物理场时的2.1倍;复合材料拉伸断口形貌中基本不存在脆性平坦区,韧窝多而小,形貌均匀,呈现了明显的韧窝型断裂特征;复合材料的强化机制主要有细晶强化、弥散强化以及内晶颗粒残余应力强化等。