新型AlSi复合材料制备与性能的研究教学文案.docx

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摘 要

新 型 A l一Si 复 合 材 料 制 备 与 性 能 的研 究
学 科 : 材 料 加 工 工 程
研 究 生 : 郑 晶 (签名):头睿-
导 师 : 王 智 民 副 教 授 (签名):岌纂 豁
张 冀 粤 副 教 授 (签名)’辫 曝 -
摘 要

本 文 采 用 压 力 熔 渗 和 热 挤 压 工 艺 制 备 了低 膨 胀 、低 密 度 Al 一Si 复 合 材 料 。确 定 了 Al 一Si 复 合 材 料 压 力 熔 渗 和 热 挤 压 工 艺 参 数 ; 分 析 了压 力 熔 渗 和 热 挤 压 工 艺 对 AI 一Si 复 合 材 料 成 形 性 、 组 织 和 性 能 的 影 响 ; 结 合 理 论 计 算 探 索 了 A1 一Sj 复 合 材 料 熔 渗 机 理 。本 文 的主 要 结 论 如 下 :
1.采 用 压 力熔 渗 工 艺 可 制 备 出综 合 性 能优 良的高硅 含 量 的 A I一Si 复 合 材 料 。制 备 出的 Al 一si 复 合 材 料 热 膨 胀 系 数 为 8一10x l必 ℃ ，密度 为 2.48 沙 m ，，抗 压 强 度 为 2 17 .5 MP a ，延 伸 率 为 1.45 % 。
2 .适 当 的提 高熔 渗 温 度 和 延 长 熔 渗 时 间 可 改 善 Al 一Si 体 系 的 润 湿 性 能 ，有 利 于 AI 基 体 网络 结 构 的
形 成 。

3 .压 力 熔 渗 工 艺 制 备 Al 一Si 复 合 材 料 中存 在 的 大 量 共 品 相 和 粗 大 条 状 Si 颗 粒 严 重 影 响 材 料 力 学 性 能 。热 挤 压 工 艺 可 消 除 Al 一Si 复 合 材 料 中这 些 缺 陷 ，改 善 材 料 的 性 能 。
4 .X R D 分 析 结 果 中无 氧 化 物 相 形 成 ，这 表 明 Al 一Si 复 合 材 料 的制 备 可 无 需 气 氛 保 护 。
5 . 由 于预 制 体 中各 成 分 的 百 分 含 量 具 有 可 调 节 性 ， 因 此 采 用 压 力 熔 渗 法 在 预 制 体 不 会 压 缩 变 形 的 基 础 上 可 以 自 由的调 节 复合 材 料 中硅 增 强 相 与铝 基 体 之 间 的 比例 。
6 .理 论 分 析计 算 和 实验 研 究 结果 表 明 ，实 际压 渗 压 力 大 于 理 论 压 渗 压 力 计 算值 ，产 生 偏 差 的主 要
原 因 是 计 算 模 型 理 想 化 ，且 忽 略 了压 力 熔 渗 过 程 中预 体 制 内气 体 阻 力 的 作 用 。 关 键 词 : A1 一Si 复 合 材 料 ，热 挤 压 ，压 力 熔 渗 ，颗 粒 增 强

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A b s t.r a c t

IN V E S T !G A’ T lO N O N P R E P A R A T IO N A N D P R O P E R T !E S O F N E W 一S T Y L E A 卜5 1 C O M P O S IT E S
S P e c ia !ty : M a te ria l P ro C e s s in g E n g in e e rin g
C a n d id a te : Z h e n g J in g (s‘g”a，u『e)碑当当 -
S u P e rv is o r : W a n g Z h im in A s s o e ia te P ro fe S S o r (5 ig n a tu re ):
Z h a n g J iy u e A s s o e ia te P ro fe s s o r (5 ig n a tu re )::

A B S T R A C T

In th e P re sent P aP er， a n ew 一sty le A I一5 1 c o m P o site，w h ich P o sse sses less d en sity an d lo w er e x P an sio n e o e m e ien t， w as 几 b ri e at e d b y th e m eth o d o f P re ssur e in fi ltrat io n e o m b in e d w ith h o t e xtr u sio n . T h e P ro e e ssin g P ar a m e te rs o f P re ssu re in fi ltrat io n an d h o t e x tru sio n w e re e o n fi rm e d . T h e in fl u e n e e s o f th e P ro e essin g P ara m eters o n th e fo rm a b ility， th e m iero str u etu re an d th e P ro P ert ie s o f A I一5 1 eo m P o sites w e re
d ise u sse d . Th e P re ssu re in fi ltrat io n m e e h an ism w as stu d ie d sy ste m at ie a lly b y c o m b in in g w ith th e th e o re tie

e a le u lat io n . T h e m a in e o n e lu sio n s 么re P re se n te d as fo llo w s .

一1. H ig h 一P erfo rm an ee A I一5 1 eo m P o site can b e fa b rie at e d su cee ssfu lly b y th e m eth o d o f P re ssu re
in五ltr at ion com bined w ith hot extru sion. Its therm a一e却 an sion coeffi eient 15 5一lo x lo6/ .c ，小e density
2 .4 8g/c m ，，th e eo m nre siv e strengt h 2 17 .5 淤 礼 an d 山e ext en sib ility 1.4 5% .
2 . T h e w ett ab ility in the A I一5 1 sy stem ean be im Proved 妙 elev at ing th e in fi ltrat ion tem P eratu re an d

e lo n g at in g th e in fi ltr a tio n tim e P ro P e rl又 w h ie h a re h e lP fu l to fo rm th e n e tw o rk str u e tu re in th e a lu m in u m m a trix .
3 . T h e re ar e a l哩 e n u m b e rs o f e u te C tie P h as e s an d so m e e o ars e ，st riP 5 1 P a rt ie le s，Wh ic h le ad th e

m e c h n ie a l P ro P e rt y to w o rse n se ri o u s ly， in A I一5 1 e o m P o site fab ric at e d b y s in g le P re ssu re in fi ltra tio n . T h e

eutectie P h as es an d eoar se，str iP 5 1 P art ieles ean b e deereased 勿 sequ en tial h ot ext rusion ，an d th e m eehn ieal

P ro P e rty o f A I一5 1 eo m P o site s e an b e im P ro v e d rem ar k ab ly.
4 . T h e X R D re su lts sh o w th e re 15 n o m et a l o x id e s fo rm e d in A I一5 1 e o m P o site s，an d in d ie a te th at A I一5 1 e o m P o site s e an b e P re P are d in n o P ro te ctiv e at m o sP h ere .
5 . If th e P re east b o d y 15 u n d e fo rm ed ，th e rat io b e tw e e n th e 5 1 re in fo rc e d P art ie le s an d th e a lu m in u m

m at rix ean b e adj ust ed fre ely to o btain th e h ig h一P erfo rm an ee A I一5 1 eom P osite d uring th e eourse o f P re ssur e
in fi llra tio n

6 . T h e re su lt s o f th e o ret ie a l e a le u lat io n an d th e e XP e rim e nts sh o w th at th e a e tu al in fi ltratio n P re ssu re 15 la rg e r th an th at o f th e th e o retie a l c al e u lat io n ，w h ie h e an b e a t’tr ib ut e d to th e sim P lifi e at io n o f th e e a le u lat in g m o d el an d the n eg lect o f th e air Pressu re in Preeast bo勿 in th e course o f P ressu re in fi ltr at io n .

K e yw o r d s : A I一5 1 c o m P o site s，h o t e X tru sio n ，P re ss u re in fi ltrat io n ，re in fo rc e d P a rt ie le

介

目 录

目 录

摘 要 ......................................................................................................................................……I

A B S T R A C T ................… … ”...................................… … ，.......................................................… … !I

目 录 ........……“二“.....……”.................................……”..........................................................…… In

1. 绪 论 .....……””……”.......……“..................................................................……~...........……，.…”.1

1.1 引 言 ……，.......................................................................................................................…… 1
1.2 国 内外 研 究 进 展 ...............................……，...................................................................…… 1
1.3 颗 粒 增 强 铝 基 复 合 材 料 的 概 况 ................................... ..........................................……2
1.3 .1 金 属 基 复 合 材 料 的 分 类 ........................……，.，.......................................……，......……2
1.3 .2 颗 粒 增 强 铝 基 复 合 材 料 的 特 点 ...................……，... ............................................……4
1.3 .3 颗 粒 铝 基 复 合 材 料 的 应 用 ........................................................…… ，..................……6
1.3 .4 铝 基 复 合 材 料 应 用 中所 存 在 的 问题 ....……，.............................……，..............……，…7
1.4 颗 粒 增 强 铝 基 复 合 材 料 的 制 备 工 艺 ..........……‘....................……‘……，.....................……7
1.4 .1 粉 末 冶 金 技 术 ...............……，..........................................……，.，...............................……8
1.4 .2 无 压 自浸 渗 法 .....……，.......................................................……，............……，...........……8
1.4 ，3 压 力 渗 透 法 ...................……，.......................................................……，..................…… 10
1.4 .4 共 喷 射 沉 积 技 术 ..................……，.......................................................................…… 11
1.4 .5 原 位 反 应 合 成 技 术 ......……，...........................……，...........................................……，二12
1.5 本 课 题 的 研 究 内 容 ...............................……卜.............................................................…… 12

2 . 材 料 成 分 选 择 及 实 验 过 程 ..…，......................................................................................……13

2 .1 实 验 材 料 .........……，……，..................................……，...................................................…… 13
2 .2 实 验 过 程 ..…，...............................................................……，..........……，，.....................……13
2 .2 .1 粉 末 的 混 合 ……，...............................................……‘...............……，.........……，......…… 13
2 .2 .2 预 制 体 的 制 备 ............................……，...............................................……，.... ......…… 14
2 .2 .3 熔 渗 Z L1 02 合 金 ...................……，.…，..........................……，.....……，..……‘..........…… 14
2 .2 .4 挤 压 ....................................................... .......……，，..............................................…… 15
2 .2 .5 试 样 的 机 械 加 工 .................................. .……，.....................................................……15
2 .2 .6 复 合 材 料 试 样 制 备 ...................................... ................................……，..............…… 巧
2 .3 性 能 测 试 .....................… …，..................................... ................................................…… 16
2 .3 .1 硬 度 试 验 .......……，........................................................ ......................................…… 16
2 .3 .2 拉 伸 试 验 ....……‘.……，.........................................................................……，.....… …‘… 16
2 .3 .3 热 膨 胀 系 数 的 测 定 ......……，..…‘.........................................................................…… 17

西安理 工 大 学硕 士 学位 论 文

2 .4 显 微 组 织 和 结 构 的 观 察 与 分 析 ..................................................……，.......................…… 17
2 .4 .1 金 相 试 验 .... ...........................................……，.……，....................................... .……，..… 17
2 .4 .2 S E M 试 验 .........................................................................……，...........……，.........…… 17
2 .4 .3 X R D 试 验 ............................................................................................................…… 18

3 . 预 制 体 的制 备 .............................……，.......................................................................……”.… 19

3 .1 混 粉 工 艺 .....................……，........................................……，.........................................…… 19
3 .1.1 粉 末 形 状 对 制 备 工 艺 的 影 响 ........................……，...................................……，..…… 19
3 .1.2 混 粉 工 艺 对 制 备 工 艺 的 影 响 ..……，..……，.......……，...........................................…… 20
3 .2 多 孔 预 制 体 的 制 备 ……，...........................................……，...........................................…… 22
3 .2 .1 工 艺 步 骤 ......……，..................................................................................……，.....……22
3 .2 .2 粘 结 剂 的选 择 及 计 算 ..............……，...........……，.................................................……22
3 ，2 .3 孔 隙 率 的 计 算 .................................……，............................................................……2 4
3 .3 本 章 小 结 ..............................................................................……，.，.............................……2 6

4. 制 备 工 艺 对 复 合 材 料 显 微 组 织 和 性 能 的影 响 ...……”............................……“二“.，二”....……27

4 .1 浸 渗 压 力 对 组 织 性 能 的影 响 ....……‘......……、........................……，....................……，..…… 27
4 .1.1 临界 压 力 的计 算 .，...……，.....................................................................……，........……27
4 .1.2 实 际压 力 的确 定 .......................................……，…，...............................................……28
4. 2 温 度 对 组 织 性 能 的影 响 ……，......……，............................................……，.....................…… 30
4. 2 .1 预 热温 度 的确 定 ..............……，..............................................……，......……，.........……，30
4. 2 .2 浇 入 温 度 的确 定 ..............................……，............................................................……31
4. 2 .3 冷 却 速 度 对 材 料 的影 响 ............……，..................................................................…… 32
4. 3 挤 压 对 组 织 性 能 的 影 响 ....……，..……，....… …，二，..........................……，......................……，.33
4. 3 .1 金 相 组 织 .，，.........……，二，，，二，…… ，二............… …，.，，.…，，.，…，.，二，.....……，，...................…… 33
4 .3 .2 断 口分 析 ...............……，.......................................……，..........................................…… 34
4 .4 硅 颗 粒 的 含 量 对 材 料 硬 度 的 影 响 ..............................................................……，.....…… 35
4 .5 热 膨 胀 系 数 分 析 .................……，..............……，.............................……，.......................…… 35
4 .6 物 相 分 析 ....................................................................................................................…… 3 7
4 .7 本 章 小 结 .…‘....……，二，................................................……，..........……，二，........……，.……，..… 3 9

5. 熔 渗 过 程 分 析 ..............................................……，............................................................…… 40

5 .1 复合 材 料 的 致 密 化 机 理 ..…，............……，...................................……，....……，，..............……40
5 .2 熔 渗 阻 力 分 析 ....................................……，..... .................................................……，，..……41
5 .2 1 毛 细 管 力 的 计 算 .........…… ，，......……，二，.、............. .............................................……42

目 录

5 .3 压 力 浸 渗 过 程 分 析 ....................................................·……，········································……45
5 .4 本 章 小 结 ........……，...........................................................................................……，...……47

6 . 结 论 与 展 望 二”..........……“................................................................................................……48

6 .1 结 论 ............……，.................……，................……，...................……，.................……，........……48
6 .2 展 望 ...................................……，..................……，...............……，.................……‘...........……4 8

致 谢 ........……“.…“.........................................……”二”二”…，..............……，............……”…”.”.，…49

参 考 文 献 .…”.. ................一.....................................................................................................……50

1 绪 论

1. 绪 论

L l 引 言

进 入 二 十 一世 纪 后 ，人 口、资源 和 环 境 己成 为 人 类 社 会 发 展 的三 大 主 题 。伴 随现 代 工 业 的迅 猛 发 展 ，人 们 对 各 种 工 业 产 品 的 轻 质 化 、集 成 化 及 散 热 和 防 辐 射 的 要 求 越 来 越 高 。 降低 能源 消 耗 、减 少 环 境 污 染 、节 约 地 球 上 有 限 资源 是 新 世 纪 产 品设 计 师 所 面 临 的 一 项 十 分 重 要 和 紧 迫 的任 务 。现 代 科 学 技 术 的进 步 ，对 金 属 材 料 提 出 了越 来 越 高 的 要 求 ，同 时 也 促 进 了对 金 属 基 复合 材 料 的研 究 。与 传 统 的 金 属 材 料 相 比 ，金 属 基 复 合 材 料 是 一 种 很 有 发 展 前 途 的新 材 料 ，它 具 有 许 多 明 显 的优 良性 能 : 比强 度 高 、比刚 度 高 、耐 磨 损 性 和 抗 腐 蚀 性 好 ，有 较 好 的 耐 热 性 和 尺 寸稳 定 性 ，成 本 低 廉 等 。因 此 ，可 广 泛 应 用 于 航 空 、航 天 、汽 车 、 电子 、体 育 用 品 等 领 域 【‘’。
目前 ， 金 属 基 复 合 材 料 可 分 为 纤 维 增 强 和 颗 粒 增 强 两 大 类 。纤 维 增 强 金 属 基 复 合 材 料 因其 具 有 高温 性 能好 、比强 度 高 、比模 量 高 、导 电性 好 、导 热 性 好 等 优 点 而 成 为 复 合 材 料 的 主 要 类 型 。其 主 要 缺 点 是 加 工 温 度 高 、制 造 工 艺 复 杂 、性 能 波 动 大 、成 本 高 ，故 未 能 得 以大 规 模 工 业 应 用 ， 目前 只 有 美 国 、 日本 等 少 数 发 达 国家 用 于 军 事 工 业 ‘“，。 因 此 ， 纤 维 强化 金 属 基 复 合 材 料 目前研 究 的重 点在 于 开 发制 造 工 艺 及 降低 生产 成 本 。相 比较 而 言 ， 颗 粒 增 强金 属 基 复合 材 料 其 增 强 体 成 本 低 、微 观 结 构 均 匀 、制 备 工 艺 简 单 、材 料 性 能 各 向同 性 、可 以采 用 传 统 的 金 属 加 工 工 艺 进 行 加 工 ，因 而 具 有 良好 的 发 展 前 途 。常 用 的 增 强 颗 粒 有 碳 化 物 、 氧 化 物 、 硼 化 物 和 碳 化 物 等 【3’。

L Z 国 内 外 研 究 进 展

由于 受 制 备 技 术 的 制 约 ， 目前 世 界 上 具 有 一 定 生 产 规 模 的 颗 粒 增 强 金 属 基 复 合 材 料 生 产 厂 家 并 不 多 。 国 外 主 要 有 D W A 复 合 材 料 专 业 公 司 、A C M C (先 进 复 合