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、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)同時有多種增強(qiáng)體增強(qiáng)時，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，有時在基體中也產(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，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?；蚍勰┰谀骋粶囟认录尤氲揭欢囟认碌慕饘偃垠w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

17、iIn situ technique for synthesizing Fe-TiC compositesJScripta Materialia1995，32(4)：5775824SCTjong，ZYMaMicrostmctural and mechanical characteristics of in situ metal matrixcompositesJMaterSciEngiA 2000，29：49-1135MJKoezak,KSKumarIn sire process for producing a composite containing refractorymaterialPU

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