本文的研究目標(biāo)是研制低密度

1、 研究內(nèi)容：本文的研究目標(biāo)是研制低密度、高性能、低造價(jià)、用途廣范并易于工業(yè)化大生產(chǎn)的(TiB2+A13Ti+ZrB2+A13Zr)ZLl01原位復(fù)合材料。主要研究內(nèi)容為原位復(fù)合材料的制備工藝、增強(qiáng)相尺寸控制、原位復(fù)合材料的最佳成分選擇、常溫力學(xué)性能檢測、增強(qiáng)相與基體界面的金屬學(xué)特征、增強(qiáng)機(jī)制及斷裂機(jī)制的分析和討論。具體研究工作如下： (1)采用正交實(shí)驗(yàn)的方法制備由TiB2、ZrB2和Al3Ti、A13Zr復(fù)合強(qiáng)化的原位(TiB2+A13Ti+ZrB2+A13Zr)ZLl01復(fù)合材料； (2)通過方差和極差分析確定最佳成分配比時(shí)Ti、Zr和B的最佳含量；研究材料的力學(xué)性能與顯微組織的關(guān)系； (3

2、)采用掃描電鏡和透射電鏡等研究方法觀察原位復(fù)合材料的斷口形貌，確定增強(qiáng)相的存在，分析增強(qiáng)相與基體界面的晶體學(xué)關(guān)系： (4)對原位復(fù)合材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)拉伸，觀察材料的斷裂情況； (5)綜合分析原位復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)制與斷裂機(jī)制。 研究意義目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的大多是外加顆粒法制備的金屬基復(fù)合材料，而原位生成金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用在我國還沒有大規(guī)模的推廣，對它的應(yīng)用只是限制在不計(jì)成本的國防工業(yè)中。 為了獲得性能優(yōu)異的材料，原位復(fù)合材料正逐漸成為新型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究方向之一，并正在不斷地開拓和發(fā)展。原位復(fù)合材料的制備工藝作為一種新的MMCs的制備方法也正在日益受到材料工作者的高度重視。由前述的制備方法可以

3、看出，原位復(fù)合材料制備工藝原理簡單，操作過程易于控制。在原位復(fù)合材料的研究過程中，材料工作者們已對材料的制備過程、材料的二次加工、材料的顯微組織和力學(xué)性能及原位增強(qiáng)相的強(qiáng)化和韌化機(jī)制等方面的問題做了較為具體的研究。但原位復(fù)合材料制備工藝的一些難點(diǎn)問題尚未得到很好的解決，例如原位生成增強(qiáng)體的反應(yīng)熱力學(xué)研究、增強(qiáng)體的尺寸控制、分布控制等。要達(dá)到原位復(fù)合材料的實(shí)用化目的，其鑄造性能、重熔性能等成型工藝問題也還未得到圓滿解決。另外，關(guān)于原位復(fù)合材料的增強(qiáng)相與基體的界面微結(jié)構(gòu)方面的研究、增強(qiáng)體作為異質(zhì)晶核與基體所應(yīng)具有的晶格結(jié)構(gòu)特征等方面的研究也還報(bào)導(dǎo)很少。尤其當(dāng)同時(shí)有多種增強(qiáng)體增強(qiáng)時(shí)，原位復(fù)合材料的界

4、面微結(jié)構(gòu)特征、制備工藝、鑄造性能、成型工藝等方面的研究報(bào)導(dǎo)還比較少。原位復(fù)合材料的發(fā)展趨勢及存在問題 自從80年代中后期，美國的Lanxide公司和Drexel大學(xué)的研究者報(bào)道了他們研究的原位A1203A1和TiCpA1復(fù)合材料及其制備工藝以來，鋁基原位復(fù)合材料的研究就引起了同行的巨大興趣。經(jīng)過十多年的發(fā)展，已研究出許多較成功的鋁基原位復(fù)合材料制備的新技術(shù)。與發(fā)達(dá)國家相比，我國對金屬基復(fù)合材料的原位反應(yīng)合成技術(shù)的研究起步較晚，但受到了科技界極大的重視，國內(nèi)對于這項(xiàng)在材料開發(fā)與生產(chǎn)中將引起巨大變革的新技術(shù)的研究已獲得了初步成果。但是，由于原位反應(yīng)合成技術(shù)發(fā)展歷史較短，大部分工藝和反應(yīng)體系尚處于試

5、驗(yàn)和開發(fā)研究階段，從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向工業(yè)化生產(chǎn)，還有許多問題需要進(jìn)一步研究和探索。這些問題主要表現(xiàn)在【ss-sa： (1)增強(qiáng)相原位形成的機(jī)制問題。目前，有關(guān)原位自生復(fù)合材料中增強(qiáng)相形成機(jī)制的研究結(jié)果存在兩種學(xué)說：一是原位顆粒的形核長大機(jī)制，二是化學(xué)元素的擴(kuò)散一反應(yīng)機(jī)制。因此，深入加強(qiáng)這方面的研究工作，對于有效地控制增強(qiáng)相的形態(tài)、大小、分布和數(shù)量均有十分重要的意義。 (2)增強(qiáng)相的均化問題。特別是對于那些在澆注前需保溫的金屬液來說，已形成的增強(qiáng)顆粒在金屬液內(nèi)容易聚結(jié)、偏析，而且在凝固過程中，常偏析于樹枝晶間或晶粒邊界。對材料組織和性能產(chǎn)生不良影響。因此，為了獲得更理想的組織，必須從不同的角度，進(jìn)一步

6、研究合理的均化工藝(如快速凝固工藝等)。 (3)MMCs的凝固特點(diǎn)問題。目前對已形成增強(qiáng)顆粒的合金液的流變學(xué)特點(diǎn)尚不清楚，而且對這種混合液的凝固特征，如凝固過程、充型能力、顆粒在液固界面前沿的行為以及鑄造缺陷產(chǎn)生的機(jī)理和防止措施等，缺乏全面深入的研究，而這些又是獲得優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料的基本保證。 (4)有害化合物的控制問題。在反應(yīng)生成所需要的增強(qiáng)相的同時(shí)，有時(shí)在基體中也產(chǎn)生一些有害化合物，如Ti3A1，AhC3，F(xiàn)e3C等，它們常以針片狀割裂基體，使材料性能下降。因此，必須進(jìn)一步研究能抑制這些化合物產(chǎn)生的各種有效措施。 (5)原位MMCs的性能和應(yīng)用問題。目前的許多文獻(xiàn)只報(bào)道了原位MMCs的制備工藝

7、過程和所得材料的組織特征，而有關(guān)材料的性能和應(yīng)用的報(bào)道不多，因此，必須進(jìn)一步完善各種工藝方法，對所得材料的性能，特別是斷裂韌性、抗疲勞性能和切削加工性能均進(jìn)行全面的分析和研究。盡管金屬基復(fù)合材料存在許多有待于進(jìn)一步研究解決的問題，但是由于制備工藝相對簡單、成本低，材料性能優(yōu)異等特點(diǎn)，還是得到了快速的發(fā)展。原位復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀近年來，原位合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其一方面具有高的比強(qiáng)度、比剛度，低的熱膨脹系數(shù)、耐磨損、成本低等優(yōu)點(diǎn)，另一方面由于其增強(qiáng)體在熔體內(nèi)反應(yīng)生成，具有尺寸小，界面潔凈無污染，熱穩(wěn)定性好，且與基體界面相容性好等特點(diǎn)，在航空、航天以及兵器和車輛等領(lǐng)域中，獲得了迅速的發(fā)展，是一

8、種理想的新型結(jié)構(gòu)材料，已成為金屬基復(fù)合材料研究中的一個(gè)重要方向【51】。然而，傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)體與金屬基體結(jié)合的各種方法不同程度地存在工藝復(fù)雜、成本較高、氣孔率高、界面結(jié)合不良、增強(qiáng)體分布不均勻等缺陷，另外增強(qiáng)體與基體之間潤濕性不好、也給制備帶來困難。自反應(yīng)原位生成增強(qiáng)體的金屬基復(fù)合材料是復(fù)合材料領(lǐng)域中的一種新的制備方法，由于具有制備工藝相對簡單、材料制造成本低等優(yōu)點(diǎn)而日益受到人們的重視【52】。原位生成增強(qiáng)體的尺寸通常低于lm，凝固過程中增強(qiáng)體在基體材料晶內(nèi)結(jié)晶，與基體結(jié)合十分良好。因而，內(nèi)生增強(qiáng)體在較大幅度地提高材料的強(qiáng)度和彈性模量的同時(shí)，也可提高材料的延伸率，這是原位復(fù)合材料與外加增強(qiáng)體復(fù)

9、合材料的最大區(qū)別【53】。鋯金屬是重要的戰(zhàn)略材料，有良好的可塑行和很強(qiáng)的耐腐蝕行。鋯還具有特殊的核性能，耐輻照性能很好，再加上鋯在高溫下仍有較好的吸氣性，使之成為原子能、電子、化工、冶金、國防部門需要的重要材料。鋯元素最為顯著的作用是其對合金再結(jié)晶行為的抑制，從而為獲得具有完全非再結(jié)晶組織的各類半成品提供了可能，使變形過程中產(chǎn)生的高密度位錯(cuò)和纖維組織得以保留下來，而非再結(jié)晶組織的存在使合金半成品具有更優(yōu)良的性能54J。因此，材料科學(xué)家、冶金學(xué)家、制造商和設(shè)計(jì)者都對鋯鋁合金的研究產(chǎn)生濃厚的興趣，并最終導(dǎo)致商用含鋯鋁合金及其變形半成品生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展。隨著對鋯元素作用機(jī)理的深入認(rèn)識，新的生產(chǎn)技術(shù)

10、的涌現(xiàn)，鋯元素在鋁合金中的應(yīng)用會(huì)有新的突破，含鋯鋁合金將進(jìn)入更廣闊的應(yīng)用空間。研究意義同外加增強(qiáng)相強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料相比，由于增強(qiáng)相由反應(yīng)合成并內(nèi)生于鋁基體中，原位鋁基復(fù)合材料具有許多突出優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：1)增強(qiáng)相在鋁基體中原位形核、長大，能克服外加增強(qiáng)相工藝的固有問題，如增強(qiáng)相與鋁基體間存在界面污染、增強(qiáng)相易團(tuán)聚或偏析等；2)鋁基體中原位自生的增強(qiáng)相具有良好熱力學(xué)穩(wěn)定性和與基體的匹配性，可改善增強(qiáng)相與鋁基體的相容性、避免不良界面反應(yīng)發(fā)生、保證兩者間良好的界面結(jié)合；3)省去了增強(qiáng)相預(yù)合成及后續(xù)與鋁基體的混合等流程，簡化了復(fù)合材料制備工藝，降低了制備成本；4)可通過調(diào)整反應(yīng)條件控制原位自生增強(qiáng)相

11、類型、含量和尺寸，能夠保證鋁基復(fù)合材料具有良好物理和力學(xué)性能113-115。因此，原位合成法在開發(fā)新型鋁基復(fù)合材料方面具有巨大潛力。1 1 3Sahoo只Koczak M J，Microstructureproperty relationships of in situ reacted TiCA1一Cu metal matrix composites，MaterSciEngA，1 99 1，1 3 l(1)：69-76 114廖恒成，鋁原位合成復(fù)合材料的反應(yīng)模式與機(jī)理，鑄造，1999，48(1)：4347115何春年，趙乃勤，納米相增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備技術(shù)的研究進(jìn)展，兵器材料科學(xué)與工程，200

12、5，28(3)：5356選題意義 熔體原位反應(yīng)合成技術(shù)是將含有增強(qiáng)顆粒形成元素的固體顆粒或粉末在某一溫度下加入到一定溫度下的金屬熔體中，使之與金屬反應(yīng)，在金屬熔體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相，直接澆注形狀復(fù)雜的鑄件，實(shí)現(xiàn)近終成型，從而制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。這種方法由于增強(qiáng)體是從金屬熔體中原位反應(yīng)形核和長大的，增強(qiáng)體表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，且界面結(jié)合強(qiáng)度高，而被譽(yù)為具有突破性的新技術(shù)而倍受重視，是最有希望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的新技術(shù)。但是，目前對鋁基復(fù)合材料的熔體原位反應(yīng)合成技術(shù)的研究還很不完善，主要表現(xiàn)在以下方面： (1)反應(yīng)體系少，大多集中在Al-T

13、iX(X=0，B，C)系； (2)熔體起始反應(yīng)溫度高，常常高于1000，惡化鋁液； (3)熔體原位反應(yīng)時(shí)間較長； (4)增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)較低，粗化現(xiàn)象嚴(yán)重； (5)增強(qiáng)顆粒在基體中的分布不夠均勻，增強(qiáng)顆粒團(tuán)聚； (6)顆粒與基體界面結(jié)構(gòu)的研究還不全面，大多集中在界面形貌觀察上，而對于顆粒與基體的晶體學(xué)位向關(guān)系，界面原子的模擬排列與匹配以及界面區(qū)附近位錯(cuò)的定量分析等問題研究還很不完善。 (7)內(nèi)生顆粒的形成與生長機(jī)制研究甚少，大多集中在顆粒的物相鑒別及其形貌觀察。(8)原位反應(yīng)技術(shù)合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于成本等因素，大多停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，工業(yè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用較少。因此，開發(fā)新的原位反應(yīng)體系，

14、探尋新的手段和工藝來促進(jìn)原位熔體化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度和反應(yīng)程度；提高生成增強(qiáng)相的形核率，抑制長大速度，細(xì)化晶粒；使所生成的增強(qiáng)顆粒在基體中均勻分布；改善增強(qiáng)顆粒與基體的潤濕性，提高鋁基復(fù)合材料的綜合性能，成為材料研究者所關(guān)注的核心。近年來，利用物理手段來控制和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，是科技界十分關(guān)注的研究領(lǐng)域。電、光、磁、聲四大物理因子與化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，相應(yīng)地產(chǎn)生了電化學(xué)、光化學(xué)、磁化學(xué)和聲化學(xué)。電化學(xué)與光化學(xué)技術(shù)己獲得了工業(yè)上的應(yīng)用，而聲化學(xué)和磁化學(xué)仍在開發(fā)之中。其中，磁化學(xué)和聲化學(xué)技術(shù)在高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，但在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用還鮮為人知。原位鋁基復(fù)合材料的制備技術(shù)進(jìn)展80年代中后期，由美

15、國的Lanxide公司和Drexel大學(xué)的MJKoczak等人1先后報(bào)道了各自研制的原位A1203Al和TiC-Al復(fù)合材料及相應(yīng)的制備工藝，至此原位反應(yīng)生成鋁基復(fù)合材料才受到人們的關(guān)注2-4，原位合成技術(shù)得到更進(jìn)一步的研究發(fā)展。目前，金屬基復(fù)合材料的原位制備方法主要有VLS法5-6(氣液反應(yīng)合成法)、SHS法7-8(自蔓延高溫合成法)、XD法9-10(放熱彌散法)、CR法11-12(接觸反應(yīng)法)、LSM法13-14(混合鹽反應(yīng)法)、DIMOX法15-16(直接熔體氧化法)、PRIMEX法17-18(無壓浸潤法)、RSD法19-20(反應(yīng)噴射沉積法)、DMR法21-22(熔體直接反應(yīng)法)等。1

16、MJKoczakIn situ process for producing a composite containing refractory materialPPatent：4808372OffGaz28 Feb19892GSSchajerMeasurement of non-uniform residual stresses using the hole drilling method，partI-stresses calculation proceduresYJEngMaterTech1988，110(4)：338·3433CRaghunath,MSBhat,PK Rohatg

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18、SPatent 4808372，19896崔春翔，吳人潔原位A1N-TiC粒子增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料川金屬學(xué)報(bào)，1996，32(1)：101-1047AGMerzhanov，MVShkivoMethod of producing refractoryPUSPatent 3726643，19738AWUrquhartNovel reinforced ceramics and metals：a review of LanxideS composite technologiesJMaterSciEngA 1991，131(1)：75-829L ChristodoulouProcess for formin

19、g metal-second phase eompositesPUSPatent 4751048，198810RMitra,MMEFine，JRWeermaanInterfaces in as-extruded XD Al -TiC and AlTiB2 metal matrix compositesJMaterRes1993，8(9)：2380-239211MK. Premkumax, GChuSynthesis of TiC particulates and their segregation during solidification in in-situ processed Al-Ti

20、C compositesJMetall TransA1993，24：2358236212VSRMurthy，BSRaoMicrostructural development in the directed melt-oxidized(DIMOX)AlMg-Si alloysJMaterSci1995，30(12)：3091-309713JVWood，PDavies，JLFKellieProperties of the reactively cast aluminium-TiB2 alloysJMaterSciTech1993，9(10)：833-84014PDavies，JLFKellie，J

21、VWoodDevelopment of Cast Aluminium MMCsJKey Engineering Materials1993，77：357-36215L Gotman,MKocv_ak,E ShtesselFabrication of aluminum matrix in situ composites via self-propagating synthesisMaterSciEngA(Switzerland)1994,187(2)：189-19916SCTjong,GSWang,Y-WMaiHigh cycle fatigue response of in-situ AIbased compositescontaining Ti