纳米TiN增强Al-7Si-0.3Mg铝基复合材料组织和性能的研究

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颗粒增强铝基复合材料(PRAMCs)以其低的密度,高的比刚度、比强度,良好的耐磨性和导热、导电性,在航空航天、汽车、船舶、电子等行业具有广泛的应用前景,对它的研究已成为当今金属基复合材料领域的重点。但由于纳米颗粒增强相表面能高且与铝基体的润湿性较差,使用传统的铸造方法制备 PRAMCs时很难将纳米颗粒在铝基体中均匀分散,故通常会发生纳米颗粒团聚的现象,从而得不到很好的强化效果。本文使用机械搅拌外加超声波处理合金熔体的方法制备纳米 TiN颗粒添加量为0.1wt%的TiN/Al-7Si-0.3Mg铝基复合材料,借助于使用熔盐包覆法制备出的TiN/Al包覆粉末,纳米TiN颗粒可与铝基体良好地润湿,从而改善合金的组织并在一定程度上提升合金的性能。实验中,使用标准的Al-7Si-0.3Mg( A356)和直接添加 TiN颗粒制备出的TiN/Al-7Si-0.3Mg作为对比样本,采用了OM、XRD、SEM、拉伸试验、电化学测试等多种测试分析方法对A356合金及其铝基复合材料的组织和性能进行表征,得到以下重要结论:  (1)根据能量最低原理,在熔铝、纳米颗粒和熔盐三相组成的系统中,纳米 TiN会自发地包覆在Al粉上以降低系统的吉布斯自由能,形成TiN/Al包覆结构;  (2)纳米TiN可在A356合金的凝固过程中提供有效的异质形核点,提高α-Al的形核率,使复合材料的晶粒得到细化,α-Al枝晶向等轴晶转化,进而使共晶硅相变得细小且分散;  (3)纳米 TiN的添加会在复合材料淬火的过程中引入位错点,位错点会促进共晶硅在时效析出时的形核,同时添加TiN/Al的复合材料中位于共晶硅边缘部位的TiN会对其析出长大起到阻碍作用并能在一定程度上限制其针状组织的形成,故添加 TiN/Al的复合材料中的共晶硅数量多且细小圆润;  (4)添加TiN/Al包覆粉末的复合材料热处理后的力学性能较基体合金均有了很大的提升,尤其是延伸率,在热处理后提升至191.9%;其硬度值在热处理前后也分别较基体合金提升了3.7%和13.1%;  (5)对于使用固溶处理+不完全时效处理的A356及其铝基复合材料,最佳的热处理工艺参数为540℃固溶4h,155℃时效6h;对于使用固溶处理+完全时效处理的A356及其铝基复合材料,最佳的热处理工艺参数为540℃固溶4h,175℃时效2h;  (6)当电路中没有电流流过时,添加了TiN/Al的A356由于样品表面氧化膜最为连续,抗腐蚀性能最强;当电路中有电流流过时,从腐蚀热力学角度来说,添加了TiN/Al的A356抗腐蚀性最强;从腐蚀动力学角度来说,直接添加TiN的A356腐蚀速度最慢;但以综合结果来看,添加TiN/Al包覆粉末的样品受腐蚀程度最轻。
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