摩擦与磨损,是影响机器设备的工作效率和使用寿命的主要因素,摩擦副耐磨、减摩与摩阻材料的合理设计,是高端装备运行安全的有利保障。原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料因其高的比刚度、耐磨性和可加工性等优点,在航空航天、汽车制造等领域已得到应用。Al-Bi二元合金属于难混溶合金,具有自润滑特性,可以用来制造减摩材料,具有重要的工业应用价值。若以Al-Bi合金为基体,通过重熔稀释法向其中引入原位自生TiB2颗粒,藉由颗粒的异质形核功能来调控Al-Bi合金凝固中的液液分离过程,有望制备出兼具比刚度、耐磨性、自润滑特性的新型摩擦副材料。该材料的性能须解决两个关键问题,一是原位自生TiB2颗粒的团聚问题;二是Al-Bi合金液相分离过程中比重偏析引起的组织不均匀问题。近年来,新型超声工具头材质和大功率压电换能器技术的突破,使得功率超声熔体调控逐渐从实验室走向工业应用,超声熔体处理作为一种节能环保的工艺能够很好的解决材料凝固组织均匀性问题。本文通过重熔稀释法成功制备出Al-Bi-TiB2复合材料,将铝基体优良的延展性、硬质颗粒的异质形核作用以及富Bi软相的自润滑特性进行优势整合,探索一种新型减摩材料的生产工艺可行性。研究了不同Bi含量对复合材料组织和性能的影响,通过扫描电镜、透射电镜等方法探究TiB2颗粒与Bi相之间的相互作用关系。通过向熔体中引入超声谐振,促进TiB2颗粒和富Bi液滴的润湿,改善Bi相的分布,结合力学性能、摩擦磨损性能的测试,讨论超声熔体处理对复合材料微观组织及综合性能的影响。论文首先分析了TiB2颗粒和富Bi液滴在凝固过程中的交互作用规律,发现高含量的Bi相可以有效改善原位自生TiB2颗粒的团聚程度,使其沿晶界呈网状分布;TiB2颗粒作为非均匀形核质点,可促使富Bi液相在其上形核,从而抑制了富Bi相液滴的碰撞与粗化。加入4wt%的TiB2后,复合材料中富Bi相液滴的最大直径由81.9μm减小到14.1μm。超声熔体处理可进一步细化富Bi相液滴,超声3min后最大液滴直径降至6.8μm。此外,超声处理可以促进富Bi相的球化,Bi含量为20%的复合材料经过超声处理后,富Bi相的球形度由41.8%提升至91.1%。其次,发现了超声处理前后,Al-Bi-TiB2复合材料体系的杨氏模量随Bi含量的变化呈现相反的变化趋势。未施加超声处理的复合材料杨氏模量随Bi含量升高而增大,而在超声处理后,杨氏模量则随Bi含量升高逐渐降低。Al-Bi-TiB2复合材料的维氏硬度、屈服强度和抗拉强度会随Bi含量的增加而增加,但是延伸率下降。随着Bi含量的增加,Al-Bi-TiB2复合材料的摩擦磨损行为发生改变,其摩擦系数及失重比逐渐下降。相较于Al-4TiB2,Al-20Bi-4TiB2复合材料的磨损量降低了74%,摩擦系数由0.52降为0.37,施加超声熔体处理的复合材料摩擦表面更加平滑,磨损量相比于未施加超声的降低了31%,说明超声处理优化材料的显微组织,改善其摩擦磨损性能。