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电渣重熔法原位制备铝基复合材料的研究

作　者: 李盼
导　师: 王俊
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 电渣重熔(ESR) 原位合成铝基复合材料颗粒增强 TiB2 Al3Ti
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文创新性的采用电渣重熔（ESR）工艺成功制备了TiB₂/Al和Al₃Ti/Al复合材料,将参加原位反应的氟盐和精炼剂作为渣剂建立渣池,通过自耗电极铝棒与渣池接触形成铝熔滴与氟盐发生原位反应从而获得增强相颗粒。借助光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、能谱仪（EDX）等材料检测设备和手段分析了复合材料以及渣皮的物相和显微组织形貌,重点研究了不同的渣剂成分,电制度对原位制备过程的影响,对原位合成工艺的稳定性和均匀性进行了验证,讨论了ESR工艺对原位合成过程的作用机制,考察了不同增强体积分数复合材料力学性能,并分析了复合材料强化机制。研究表明:采用ESR工艺原位制备TiB₂/Al和Al₃Ti/Al复合材料在工艺上是可行的,KBF₄和K₂TiF₆不适合单独作为渣剂,以（KCl+NaCl+Na₃AlF₆）和（KBF4+K₂TiF₆）共同作为渣剂时,会有大量的TiB₂生成;TiB2颗粒弥散分布,部分偏聚在晶界处;Al₃Ti粒子均匀分布,呈现出短棒状、长条状和小块状三种不同的形貌。熔炼时间随着熔炼电流的增大而减小,渣池温度随着熔炼电流的增大而升高。通过微观组织分析,确定了熔炼电压为15V下的最佳熔炼电流为600A,此时氟盐反应最为充分,TiB₂粒子分布均匀。ESR原位反应存在非稳定性和非均匀性,在渣池形成过程中容易产生夹渣和表面渣沟;由于原位反应过程中渣池中的钛盐不断消耗,熔炼时间较短,Al₃Ti来不及扩散,导致制备的复合材料锭子中Al₃Ti粒子出现了自下而上由浓变疏分布不均,中间部位Al₃Ti粒子呈短棒状,上部Al₃Ti粒子为片状。ESR工艺通过电极末端、金属熔滴和金属熔池与渣池的三个阶段的接触,改善了原位反应中反应物之间的接触面积,同时由于受到电磁力,电动力等多种力的综合作用下,渣池的剧烈搅拌运动加剧了渣金界面的更新,极大的提高了原位反应效率,促进了盐渣与TiB₂粒子的分离。获得的棒状Al₃Ti平均尺寸为5μm,远小于传统铸造法制备的Al₃Ti尺寸。TiB₂/Al和Al₃Ti/Al复合材料的硬度、抗拉强度、屈服强度较纯铝基体有了大幅提高,5vol%TiB₂/Al和Al₃Ti/Al复合材料的布氏硬度和抗拉强度分别提高了75%和50%以上,但塑性下降较多。而且综合力学性能与传统混合盐法制备法相比稍差,主要是因为在电渣熔炼过程中渣与铝熔体没能很好分离,部分渣剂进入到复合材料成为有害夹杂物。拉伸断口的主要以韧窝为主,又有部分脆性解理面,属于混合断裂。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-32
  1.1 复合材料概述  12-15
    1.1.1 复合材料的定义和分类  12-13
    1.1.2 金属基复合材料的分类和基本性能  13-15
    1.1.3 金属基复合材料的制备方法  15
  1.2 颗粒增强金属基复合材料概述  15-19
    1.2.1 颗粒增强金属基复合材料的组成  16
    1.2.2 颗粒增强金属基复合材料基体的选择  16-17
    1.2.3 颗粒增强金属基复合材料增强体的选择  17-19
  1.3 颗粒增强铝基复合材料概述  19-26
    1.3.1 颗粒增强铝基复合材料的力学性能  20-21
    1.3.2 外加颗粒制备铝基复合材料研究现状  21-22
    1.3.3 原位反应法制备铝基复合材料研究现状  22-26
  1.4 电渣重熔技术发展概述  26-30
    1.4.1 ESR 工艺基本原理  27-28
    1.4.2 ESR 工艺特点  28-29
    1.4.3 ESR 工艺制备复合材料研究进展  29-30
  1.5 课题的研究意义及研究内容  30-32
    1.5.1 研究意义  30-31
    1.5.2 研究内容  31-32
第二章材料及试验方法  32-40
  2.1 复合材料成分的选择  32-33
    2.1.1 增强相的选择  32-33
    2.1.2 反应体系的选择  33
  2.2 实验材料  33-34
    2.2.1 配料计算  33-34
    2.2.2 自耗电极棒准备  34
    2.2.3 渣剂和氟盐准备  34
  2.3 实验原理及过程  34-37
    2.3.1 ESR 设备  34-35
    2.3.2 实验原理  35-36
    2.3.3 工艺路线  36-37
  2.4 工艺参数分析设计  37
    2.4.1 渣剂配比  37
    2.4.2 ESR 电压  37
    2.4.3 ESR 电流  37
  2.5 微观及性能分析测试  37-40
    2.5.1 材料成分分析  37
    2.5.2 材料物相分析  37-38
    2.5.3 微观组织观察  38
    2.5.4 力学性能测试  38-39
    2.5.5 硬度测试  39-40
第三章 ESR 原位制备Ti82颗粒增强铝基复合材料研究  40-60
  3.1 引言  40
  3.2 Al-K_2TiF_6-KBF_4 体系原位反应热力学分析  40-41
  3.3 ESR 原位制备TiB_2/Al 复合材料微结构  41-45
    3.2.1 TiB_2/Al 复合材料及渣皮物相分析  41-43
    3.2.2 TiB_2/Al 复合材料组织及微观形貌  43-45
  3.4 ESR 原位制备Ti82/Al 复合材料工艺参数分析  45-55
    3.4.1 ESR 渣制度工艺参数  45-48
    3.4.2 ESR 电制度工艺参数  48-53
    3.4.3 ESR 工艺对原位合成过程的作用机制  53-55
  3.5 TiB_2/Al 复合材料力学性能研究  55-58
    3.5.1 硬度  55
    3.5.2 强度  55-57
    3.5.3 延伸率  57-58
    3.5.4 断口分析  58
  3.6 本章小结  58-60
第四章 ESR 原位制备Al_3Ti 颗粒增强铝基复合材料研究  60-76
  4.1 引言  60
  4.2 Al-K_2TiF_6 体系原位反应热力学分析  60-61
  4.3 ESR 原位制备Al_3Ti/Al 复合材料微结构  61-67
    4.3.1 Al_3Ti/Al 复合材料物相分析  62-63
    4.3.2 Al_3Ti/Al 复合材料组织及微观形貌  63-67
  4.4 ESR 工艺对Al- K_2TiF_6 原位合成过程的影响  67-71
    4.4.1 炼渣工艺对原位反应的影响  67-68
    4.4.2 ESR 原位反应的稳定性研究  68-70
    4.4.3 ESR 工艺对增强相颗粒的影响  70-71
  4.5 Al_3Ti/Al 复合材料性能研究  71-74
    4.5.1 硬度  71-72
    4.5.2 强度  72-73
    4.5.3 延伸率  73
    4.5.4 断口分析  73-74
  4.6 本章小结  74-76
第五章结论及展望  76-78
  5.1 主要结论  76-77
  5.2 研究展望  77-78
参考文献  78-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间发表的论文及专利  84

电渣重熔法原位制备铝基复合材料的研究

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