电场激活压力辅助合成技术制备AlMgB14-TiB2复合材料及其性能的研究

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AlMgB14超硬材料具有较高的硬度、化学惰性、优良的耐磨性、廉价的原材料及低摩擦系数等特点,已经受到人们的普遍关注。近期研究表明AlMgB14-TiB2复合材料具有特殊的耐磨性、热传导性和韧性高等重要性能,显微硬度可达到48GPa。AlMgB14基复合材料的优点是可承受大范围的温度变化,将主要应用于金属切削、军工、林产、石油业、采矿及农业等行业的特殊机械。本文采用机械合金化(Mechanical alloying, MA)与电场激活辅助及压力烧结技术(Field-Activated and Pressure-Assisted Synthesis, FAPAS)合成了AlMgB,4块体及AlMgB14-TiB2复合材料,采用扫描电镜、X射线衍射、透射电镜等手段对其结构进行表征。对AlMgB14块体及AlMgB14-TiB2复合材料的制备工艺、合成原理、力学性能和致密化等性能进行了研究;通过显微硬度压痕法对合成AlMgB14块体及AlMgB14-TiB2复合材料的断裂韧性进行表征,采用磨粒磨损试验对样品的耐磨性进行分析。实验结果表明:以单质Al粉,Mg粉,B粉为反应原料,在1500℃,加热速率为100℃/min,轴向压力60MPa,保温8-10分钟下可制得致密高硬度的AlMgB14陶瓷。硼粉退火后,能够有效控制氧化物的产生。在石墨模具中添加陶瓷管可以获得高密度电流,提高烧结效率。通过力学性能测试,制得的AlMgB14陶瓷的平均密度为2.631g/cm3,最高硬度可达27.2GPa,断裂韧性为3MPa1/2。制得的AlMgB14-TiB2复合材料,发现添加剂TiB2与AlMgBu基体有很好的相融性,其界面结合紧密,没有生成新相,属高强界面结合。韧性及硬度提高的原因主要源于硬质相弥散强化、高强界面结合及TiB2的高弹性模量和高硬度增韧补强。添加30%TiB2后显微硬度和断裂韧性分别达到31.5GPa和3.65MPa1/2,比单一的AlMgB14提高了20%。通过微观结构表征、断口形貌及裂纹扩展路径分析,提出把TiB2的颗粒尺寸降至纳米级是提高韧性和硬度的一种有效方法。常温摩擦磨损试验表明,添加TiB2后能够显著降低磨损率,提高耐磨性。在相同载荷下,随着TiB2添加量的增加,AlMgB14-TiB2复合材料的磨损量呈降低趋势,耐磨性增强。随着所加压力的增大,AlMgB14-TiB2复合材料的划痕宽度也会增大。
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