【摘 要】
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Al-Ti金属间化合物由于其低密度、热膨胀系数,高强度、比刚度和比模量,良好的尺寸稳定性、导热性和出色的耐磨性,被广泛用于复合材料增强相。本研究采用感应加热方法,通过铝与钛纤维原位反应合成Al3Ti金属间化合物增强铝基复合材料。利用机械复合和热压复合两种方法分别制备了预制体,预制体通过感应加热促进反应,对感应加热后的复合材料进行热压处理。通过对不同状态的复合材料的显微组织、颗粒分布、反应机理和耐磨
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Al-Ti金属间化合物由于其低密度、热膨胀系数,高强度、比刚度和比模量,良好的尺寸稳定性、导热性和出色的耐磨性,被广泛用于复合材料增强相。本研究采用感应加热方法,通过铝与钛纤维原位反应合成Al3Ti金属间化合物增强铝基复合材料。利用机械复合和热压复合两种方法分别制备了预制体,预制体通过感应加热促进反应,对感应加热后的复合材料进行热压处理。通过对不同状态的复合材料的显微组织、颗粒分布、反应机理和耐磨性等进行分析,探究了不同感应加热功率和时间及热压处理温度和压力对复合材料性能的影响。不同感应加热功率和时间条件下,钛纤维与液态铝的反应程度逐渐增大,大量的Al3Ti颗粒弥散地分布在铝基体之上。Al3Ti颗粒的粒径主要分布于5~20μm之间。在未反应完全的钛纤维周围存在着厚度不同的反应区和扩散区,位于反应区和扩散区的Al3Ti颗粒的表面存在着明显的显微裂纹,这些显微裂纹的存在有利于Al3Ti颗粒的剥落和扩散。通过对比感应加热和传统的电阻炉加热法制备的复合材料的显微组织,感应加热法制备的Al3Ti颗粒的扩散距离较远,弥散程度更高。对其动力学过程进行分析可得,感应加热过程的反应级数n为0.786,电阻炉加热的反应级数n的值为0.33,由此可知,感应加热使得反应过程中Al原子具有更高的扩散速率,原位反应过程主要受界面反应过程控制,反应程度更大。热压处理后复合材料基体上的孔隙明显减少,颗粒的形貌与分布随着热压条件的变化而发生明显的改变。随着热压温度的升高,A13Ti颗粒由球形或近球形向长条状转变,颗粒的平均粒径由560℃条件下的10.93μm增长到600℃时的17.27μm。随着热压压力的提高,颗粒由弥散分布状态逐渐出现了聚集和团聚的现象,同时Al3Ti颗粒的粒径逐渐减小,颗粒的平均粒径在30MPa时减小到11.48μm。两体磨损实验显示,感应加热条件下,相较于纯铝的14.43mg·cm-2·h-1的磨损率,复合材料的磨损率最低达到了4.33mg·cm-2·h-1。这是由于随着感应加热功率和时间的提高,反应程度进一步增大,使得反应生成的Al3Ti的数量进一步增多。热压处理后,复合材料的磨损率明显降低,但在不同的热三条件下,磨损率变化的趋势不相同。随着热压温度的提高,磨损率数值呈现先降低后增加的趋势,最低的磨损率为3.65mg·cm-2·h-1;而随着热压压力的提高,磨损率在20MPa时具有最低的数值,其值为3.35mg·cm-2·h-1。磨损形貌显示Al3Ti颗粒上的犁沟数量和深度相较铝基体明显减少,说明热压处理可以明显提高复合材料的致密度,使得Al3Ti颗粒与基体的结合性更好。
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