a i n a l 。丁i z l l 0 1 復(fù)合強(qiáng)化原位復(fù)合材料研究 學(xué)科：材料加工工程 研究生：田龍( 簽名) 指導(dǎo)教師：趙玉厚( 簽名) 摘要 原位合成技術(shù)是一種新型的材料制備技術(shù)。本文采用高溫固一液反應(yīng)和氣一 液反應(yīng)法制備了a l a t i z l l 0 1 、a 1 n z l l 0 1 和a 1 n a 1 3 t i z l l 0 1 三種原位復(fù)合材 料，并對(duì)原位復(fù)合材料的增強(qiáng)相選擇、增強(qiáng)相形成熱力學(xué)、增強(qiáng)相與基體材料的 金屬學(xué)關(guān)系及強(qiáng)化機(jī)制等進(jìn)行了深入研究。并借助金相顯微鏡、掃描電鏡、透射 電鏡、等測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行表征，獲得的主要結(jié)果如下： ( 1 ) 制備了三種a 1 n ，a 1 3 t i z l l 0 1 復(fù)合材料，研究結(jié)果表明：增強(qiáng)相a l ，t i 尺 寸的大小取決于制備工藝及合金液中t i 元素的擴(kuò)散速度。合金液中的s i 元素可以減小t i 元素的擴(kuò)散速度，使a i h t i 的尺寸可以控制在o 1 m 左 右，無(wú)合金元素硅時(shí)，增強(qiáng)相a 1 3 t i 的尺寸大約在2 0 0 p a n 左右。增強(qiáng)相 a i n 尺寸的大小取決于制備工藝及合金液中s i 元素。合金液中的s i 元素 增加氮化反應(yīng)速度，加速a i n 的形成。 ( 2 ) 三水平四因素對(duì)正交實(shí)驗(yàn)表明：合金元素t i 在所選成分范圍內(nèi)使強(qiáng)度先 增大后降低，而延伸率在所選成分范圍內(nèi)隨含t i 量增加一直在增大。合 金元素s i 在所選成分范圍內(nèi)隨含量增加使強(qiáng)度一直增大，但延伸率卻隨 m g 含量的增加而降低。通氮時(shí)間t 強(qiáng)度和延伸率增加先上升而后下降； 吹氮時(shí)間以選5 0 分鐘時(shí)綜合力學(xué)性能最佳。根據(jù)三水平四因素正交實(shí)驗(yàn) 結(jié)果，綜合考慮抗拉強(qiáng)度和延伸率兩大性能指標(biāo)，a i n a 1 3 t i z l l 0 1 原位 復(fù)合材料的成分配比為：含t i 3 5 、含s i 7 0 ，m go 2 ，其余為a i ； 吹氮時(shí)間為5 0 分鐘。 0 協(xié)| u舊匙 ( 3 ) 通過(guò)對(duì)比三種復(fù)合材料，研究結(jié)果表明：a 1 n a 1 3 t i z l l 0 1 復(fù)合材料的強(qiáng) 度比a 1 3 t i z l l 0 1 和a 1 n z l l 0 1 復(fù)合材料的強(qiáng)度分別提高1 3 7 、1 4 | 3 ， 延伸率無(wú)明顯變化，比基體強(qiáng)度提高了4 2 4 ，延伸率提高了6 8 2 。 ( 4 ) 金相顯微組織分析表明：a 1 n a 1 3 t i z l l0 1 復(fù)合材料的曠a 1 枝晶晶粒尺寸 較z l l 0 1 有十分明顯細(xì)化，復(fù)合材料的共晶硅尺寸也較基體中細(xì)小得多。 經(jīng)過(guò)熱處理后，復(fù)合材料中的共晶硅完全粒化，尺寸僅為5 9 m 左右，而基 體z l l 0 1 的共晶硅僅有部分粒化且尺寸在1 5 1 t m 左右。t e m 分析表明，復(fù) 合材料中的增強(qiáng)相確為a 1 3 t i 和a i n ，尺寸都在o 2 9 m 左右。 關(guān)鍵詞：原位復(fù)合材料：強(qiáng)化機(jī)制：顯微組織：力學(xué)性能：正交實(shí)驗(yàn) i i t h e s t u d y o f a i n a i 3 t i z l l 0 1i n s i t uc o m p o s i t e d i s c i p l i n e ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：t i a nl o n g ( s i g n a t u r e ) s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：z h a oy u h o u ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t 荔乙勰“l(fā) k 細(xì)、沁蒜“ t h es y n t h e t i ct e c h n o l o g yo fi ns i t u c o m p o s i t e s i st h a tak i n do fn e wt y p e m a t e r i a l p r e p a r e st e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r , i ns i t u c o m p o s i t e s a 1 3 t i z l l 0 1 a i n z l l 0 1 a n d a i n a 1 3 t i z 1 1 0 1 h a v eb e e nm a n u f a c t u r e d b y t h e m e t h o do f s o l i d - l i q u i d a n d g a s - l i q u i d r e a c t i o n t h es e l e c t i o na n df o r m a t i o n t h e r m o d y n a m i c s o f r e i n f o r c i n gp h a s e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n m a t r i xa n dr e i n f o r c i n g p h a s e a n dr e i n f o r c i n gm e c h a n i s mh a v e - b e e ns t u d i e d c a r e f u l l y t h em o r p h o l o g y ， m i c r o s t r u c t u r eh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e d b ym e t a l l o g r a p h ym i c r o s c o p e ，s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i e r o s e o p e ( t e m ) t h em a i nr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h r e ec o m p o s i t e sh a v eb e e nm a n u f a c t u r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h es i z eo f r e i n f o r c i n gp h a s ea 1 3 t id e p e n d s o nt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dt id i f f u s i o ns p e e d i nt h ea l l o y i n gl i q u i d s ii n t h ea l l o y i n gl i q u i dc a nr e d u c et id i f f u s i o ns p e e da n dm a k es i z eo fm 3 t i r e m a i nt oal e v e la b o u t0 2um ，t h eg r a i ns i z eo fa 1 3 t iw i l lb er e m a i n e d t oa l e v e la b o u t2 0 0l - tmi f t h e mi sn os ii nt h ea l l o y i n gl i q u i d t h es i z eo f r e i n f o r c i n gp h a s ea i nd e p e n d so nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s a n ds i d i f f u s i o ns p e e di nt h ea l l o y i n gl i q u i d ，t h es ie l e m e n ti nt h ea l l o yl i q u i d i n c r e a s e st h en i t r o g e nr e a c t i o ns p e e d ，a c c e l e r a t e st h ef o r m i n go f a l n ( 2 ) t h r e el e v e la n df o u rf a c t o r i e so r t h o g o n a le x p e r i m e n ts h o wt h a tw i t h i nt i c o m p o s i t i o nr a n g e ，t h es t r e n g t ho f t h ec o m p o s i t ea l ei n c r e a s e dr a p i d l ya t b e g i n n i n g t h e nt h e s ep r o p e r t i e sa r er e d u c e dd o w n w i t l lt h ea m o u n to ft i i n c r e a s i n g w i t h i nt ic o m p o s i t i o nr a n g e t h ed u c t i l i t yi si n c r e a s e dw i m i i i ( 3 ) ( 4 ) k e vw o r d s t h ea m o u n to ft i i n c r e a s i n g a tt h es ic o m p o s i t i o nr a n g e ，t h et e n s i l e s t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t ea r e i n c r e a s e da n dt h ed u c t i l i t yi sd e c r e a s e d w h i l ei n c r e a s i n go fs ia m o u n t a tt h eb l o w i n gt i m er a n g e ，t h es t r e n g t h a n dd u c t i l i t yo ft h ec o m p o s i t ea r ei n c r e a s e da tt h eb e g i n n i n g ，t h e nt h e s e p r o p e r t i e sa r er e d u c e d a c c o r d i n gt ot h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lr e s u h a n d c o n s i d e r i n gt h e b e s tc o m b i n a t i o nf o rt h ep r o p e r t i e so f t e n s i l es t r e n g t h a n d d u c t i l i t y ，t h ec o m p o s i t i o n o f t h i sc o m p o s i t ei sd e f i n e da st i3 5 ，s i 7 b l o w i n gt i m ei s5 0 m i n u t e s t h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h r e ek i n d so fc o m p o s i t e s ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e n g t ha n dd u c t i l i t yo fa i n a 1 3 t i z l l 0 1i ns i t u c o m p o s i t ea f t e r h c a tt r e a t m e n th a v eb e e ni n c r e a s e dt o1 3 7 1 4 | 3 r e s p e c t i v e l yi nc o m p a r i s o nw i t ht h o s eo fa 1 3 t i z l l 0 1i ns i t uc o m p o s i t e a n da i n z l l 0 1i ns i t u c o m p o s r e ，i n c r e a s e d t o 4 2 4 ，6 8 2 r e s p e c t i v e l yi nc o m p a r i s o n w i t ht h o s eo f m a t r i x m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i ss h o w st h a tt h eg r a i ns i z eo f - a ia n de u t e c f i cs i o fa i n a 1 3 t i z l l 0 1i ns i t u c o m p o s i t ei s s m a l l e rt h a nt h a to fz l l o t m a t r i x a f t e rh e a tt r e a t m e n t ，a l le u t e c t i cs ig r a i no ft h ec o m p o s i t ei s c h a n g e di n t op a r t i c l ea n d i t ss i z ei sa b o u t5um b u tt h ee u t e c t i cs ig r a i n o f z l l 0 1m a t r i xi sp a r t l yc h a n g e di np a r t i c l ea n di t ss i z ei sa b o u t1 5um t e m a n a l y s i ss h o w st h a t t h er e i n f o r c i n gp h a s eo fc o m p o s i t ei sa 1 3 t i c o m p o u n d a n da i n c o m p o u n d ，i t s s i z ei sa b o u t0 21 1m i ns i t uc o m p o s i t e ；r e i n f o r c i n gm e c h a n i s m ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a l p e r o p e f i f i e s ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l d o l 9六方結(jié)構(gòu) 主要符號(hào) a g f o 標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯能 os 材料的屈服強(qiáng)度g 吉布斯能變量 d 0 2 2 有序四方結(jié)構(gòu) ob 抗拉強(qiáng)度 c材料( 顆粒) 特性的常數(shù) g 。顆粒的彈性模量 h 焓變 s 熵變 j 。反應(yīng)系統(tǒng)物質(zhì)的濃度商 k 。反應(yīng)平衡常數(shù) g ?；w的彈性模量c r 等壓熱容 b位錯(cuò)的柏矢量d衍射面間距 i晶面組的衍射強(qiáng)度0 衍射角 a h ，標(biāo)準(zhǔn)生成焓 入射波波長(zhǎng) w i d h 衍射峰寬度r ( 0b ) 強(qiáng)度極差 i n t衍射強(qiáng)度 r ( 6 ) 延伸率極差 f 晶面組結(jié)構(gòu)因數(shù)或結(jié)構(gòu)振幅 c摩爾熱容 i i o 相對(duì)衍射強(qiáng)度 l 9 ( 3 4 ) 三水平四因素正交 6 點(diǎn)陣錯(cuò)配度 g溫度梯度 f顯著性 f h k l 晶面組結(jié)構(gòu)振幅 t g 熱重法 v 。體積分?jǐn)?shù) 1 緒論 1緒論 1 1 引言 金屬基復(fù)合材料( m m c s ) 由于金屬基體的良好性能基礎(chǔ)使它在復(fù)合材料 ( c o m p o s i t e s ) 家族中占有重要位置。而金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體的復(fù)合 材料，對(duì)它的研究起步于2 0 世紀(jì)5 0 年代末6 0 年代初，該材料于7 0 年代成功的應(yīng) 用于航天飛機(jī)上。由于其制造成本占總成本的6 0 7 0 ，研究發(fā)展高效省時(shí) 地能耗設(shè)備簡(jiǎn)單能實(shí)現(xiàn)近似無(wú)余量成型的工藝方法乃當(dāng)務(wù)之急。近代航空航天等 高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有力地推動(dòng)了這類材料的發(fā)展，近幾十年來(lái)，汽車工業(yè)，電子 工業(yè)及娛樂(lè)業(yè)的飛速發(fā)展也促使對(duì)此類材料的研究日益全面深入【i l 。一般來(lái)瑰， 金屬基復(fù)合材料的特有優(yōu)勢(shì)是：高比強(qiáng)，高比模量，耐磨等；對(duì)它的主要興趣還 來(lái)源于對(duì)以下幾種性能的開發(fā)應(yīng)用：如熱膨脹系數(shù)，熱傳導(dǎo)性，摩擦性能，高溫 穩(wěn)定性等性能及所有性能均可在一定范圍內(nèi)加以設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，并具有一定的二次 加工性能，必定存在這充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用領(lǐng)域1 2 1 。所以m m c s 具有廣闊 的應(yīng)用前景。由于金屬基體可以是任何金屬，而增強(qiáng)相常常是其它與基體性能差 異較大的陶瓷、金屬或者是有機(jī)物。根據(jù)增強(qiáng)相的形態(tài)不同，可以把刪c s 分為 疊層金屬基復(fù)合材料、非連續(xù)( 包括顆粒，短纖維和晶須) 增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 和連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料三類；如果按照增強(qiáng)相的獲得途徑不同，則可以 將m m c s 分為外加增強(qiáng)物復(fù)合材料和原位增強(qiáng)物復(fù)合材料。 長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)金屬基復(fù)合材料的研究主要側(cè)重于外加增強(qiáng)體與基體復(fù)合的方 法，比如粉末冶金法，壓力浸滲法，流變鑄造法，攪拌鑄造等方法。這類方法不 僅設(shè)備及工藝復(fù)雜，而且所制備的材料中增強(qiáng)體與基體結(jié)合處易于產(chǎn)生脆性相， 結(jié)合強(qiáng)度低，增強(qiáng)體分布不均勻，特別是對(duì)微小的( 亞微米和納米級(jí)) 增強(qiáng)體極 難進(jìn)行復(fù)合等一系列問(wèn)題b 】。針對(duì)這些情況，一部分研究者把注意力集中在增強(qiáng) 體與基體之間的界面上進(jìn)行研究，提出在增強(qiáng)體表面進(jìn)行處理以改善顆粒與金屬 問(wèn)的潤(rùn)濕性，增強(qiáng)結(jié)合力，或者在金屬液中添加合金元素以改善它們之間的潤(rùn)濕 性。而另一部分研究者把注意力轉(zhuǎn)向了外加增強(qiáng)體的反方向，研究原位內(nèi)生顆粒 增強(qiáng)金屬基體的方法。后者的研究結(jié)果令人鼓舞。與外加法相比這是一種具有突 破性的新工藝方法。 西安工業(yè)學(xué)院碩十學(xué)位論文 1 2 金屬基原位原位復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1 2 1 原位復(fù)合材料的定義 原位復(fù)合的概念源于原位結(jié)晶。早在1 9 6 7 年，前蘇聯(lián)a gm e r z h a n o v 等1 4 】 人在用自蔓延高溫合成法( s h s ) 合成t i b 。c u 功能梯度材料時(shí)，就提出了原位 復(fù)合材料( i ns i t uc o m p o s i t e s ) 的構(gòu)想，但當(dāng)時(shí)尚未引起人們的重視。直到8 0 年代中后期，當(dāng)美國(guó)l a n x i d e 公司和d r e x e l 大學(xué)的m j k o c z a k 等人口】先后報(bào) 道了各自研制的原位a 1 2 0 3 a 1 和t i c a 1 復(fù)合材料及其相應(yīng)的制備工藝后，才證 式在世界范圍內(nèi)拉開了原位m m c s 研究工作的序幕。美國(guó)金屬學(xué)會(huì)( a s m ) 分別于 1 9 9 3 年和1 9 9 5 年兩次召開了原位復(fù)合材料的國(guó)際專題研討會(huì)。由此可見，原位 m m c s 及其制備技術(shù)已成為材料科學(xué)工作者普遍關(guān)注的研究課題。 1 2 2 金屬基原位復(fù)合材料的特點(diǎn) m m c s 原位反應(yīng)合成技術(shù)的基本原理是在一定條件下，通過(guò)元素之間或元素 與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(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，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的。與h _ m c s 傳統(tǒng)復(fù)合工藝相比， 該工藝具有如下特點(diǎn)。 ( 1 ) 增強(qiáng)體是從金屬基體中原位形核、長(zhǎng)大的熱力學(xué)穩(wěn)定相，因此，增強(qiáng) 體表面無(wú)污染，避免了與基體相容性不良的問(wèn)題，且界面結(jié)合強(qiáng)度高。 ( 2 ) 通過(guò)合理選擇反應(yīng)元素( 或化合物) 的類型、成分及其反應(yīng)性，可有效地 控制原位生成增強(qiáng)體的種類、大小、分布和數(shù)量。 ( 3 ) 省去了增強(qiáng)體單獨(dú)合成、處理和加入等工序，其工藝簡(jiǎn)單，成本較低。 ( 4 ) 從液態(tài)金屬基體中原位形成增強(qiáng)體的工藝，可用鑄造方法制各形狀復(fù)雜、 尺寸較大的凈近形構(gòu)件。 ( 5 ) 在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時(shí)，可較大幅度地提高材料 的強(qiáng)度和彈性模量。 原位鋁基復(fù)合材料，是利用混合體中組分之間的化學(xué)反應(yīng)，生成一種或多種 高硬度和高熔點(diǎn)增強(qiáng)相，均分布于鋁合金基體上，以達(dá)到強(qiáng)化基體的作用。由于 增強(qiáng)相是反應(yīng)合成的，內(nèi)生于基體中，因而具有許多外加強(qiáng)化相強(qiáng)化鋁基復(fù)合材 料所不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 增強(qiáng)體在鋁基體上原位形核長(zhǎng)大具有增強(qiáng)界面結(jié)合良好的互容性。 ( 2 ) 通過(guò)選擇反應(yīng)物來(lái)控制增強(qiáng)相種類大小和數(shù)量，并可以通過(guò)工藝來(lái)控制 其大小和分布，不易出現(xiàn)增強(qiáng)想的團(tuán)聚或偏析。 西安丁業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論義 ( 3 ) 省去了增強(qiáng)物質(zhì)的預(yù)處理，簡(jiǎn)化了工藝流程，成本也相對(duì)降低。 ( 4 ) 增強(qiáng)相顆粒細(xì)小，往往處于微米級(jí)或微米級(jí)以下，能保證鋁基復(fù)合材料 不但有良好的韌性和高溫性能，而且有很高的強(qiáng)度和彈性模量。 ( 5 ) 能與鑄造工藝結(jié)合，直接制造出形狀復(fù)雜，尺寸變化大的近終形產(chǎn)品。 金屬基原位復(fù)合材料由于具有高強(qiáng)度且延伸率好，而且具有生產(chǎn)設(shè)備廉價(jià)， 工藝簡(jiǎn)單，節(jié)能高效，產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)。但由于原位復(fù)合材料的研究時(shí)間較短， 在制備工藝、增強(qiáng)機(jī)制、材料性能及應(yīng)用等方面還存在一些問(wèn)題，有待于進(jìn)一步 研究及完善。目前，對(duì)原位復(fù)合材料的研究主要集中地在以下幾個(gè)方面： ( 1 ) 原位復(fù)合材料的制各工藝研究和創(chuàng)新： ( 2 ) 增強(qiáng)相的生成機(jī)制、尺寸控制及增強(qiáng)相的分布控制； ( 3 ) 增強(qiáng)體與基體的金屬學(xué)關(guān)系，顯微組織與力學(xué)性能的關(guān)系； ( 4 ) 增強(qiáng)相對(duì)材料的強(qiáng)化機(jī)制及增韌機(jī)制； 1 2 3 鋁基原位復(fù)合材料的制備方法 金屬基原位復(fù)合材料的制備方法根據(jù)參與合成增強(qiáng)體的反應(yīng)組分存在的狀 態(tài)不同，可將該方法分為，氣一液反應(yīng)，固一液反應(yīng)，固一固反應(yīng)，液一液反應(yīng) 4 種反應(yīng)模式，后三種方法主要適合于制備高溫金屬基或金屬問(wèn)化合物基原位復(fù) 合材料。每種方法內(nèi)又可細(xì)分，整體關(guān)系見圖1 3 。 圖1 3 金屬基復(fù)合材料的制備方法關(guān)系圖 西安工業(yè)學(xué)院碩j 學(xué)位論文 ( 1 ) 氣一液反應(yīng) v l 8 法法由m j o c z a k 等人發(fā)明并申報(bào)美國(guó)專利。其工藝是將含有c 或n 的氣體與合金液中的個(gè)別組分反應(yīng)，在合金基體中形成穩(wěn)定的高硬度、高彈性模 量的碳化物或氮化物，冷卻凝固后即獲得這種陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。 該工藝一般包括如下兩個(gè)過(guò)程【6 】：氣體的分解，c i - 1 4 ( g ) 4 c ( s ) + 2 h 2 ( g ) ，2 n h 3 ( g ) n 2 ( g ) + 3 h 2 ( g ) ；和氣體與合金的化學(xué)反應(yīng)及增強(qiáng)顆粒的形成，c ( s ) + a i t i ( 1 ) j a l ( 1 ) + t i c ( s ) ，n 2 ( g ) + a 1 t i ( i ) 斗a l ( 1 ) + t i n ( s ) 十a(chǎn) l n ( s ) 。為了保證上述過(guò)程的順利進(jìn)行，一般要求較高的臺(tái)金熔體溫度和盡可能大 的氣液兩相接觸面積，并應(yīng)采取適當(dāng)措旋抑制a i4 c3 等有害化合物的產(chǎn)生。研究 還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制氣體中n 2 分壓和合金熔體中c 的活度以及加入一定量的合金 元素，可抑制a i4 c 3 等有害化合物的生成。 由美國(guó)l a n x i d e 公司開發(fā)的l a n x i d e 法，也是利用了上述氣一液反應(yīng)的原理， 它由會(huì)屬直接氧化法( d i m o x 丁m ) 和金屬無(wú)壓力浸滲法( p r i m e x t m ) 兩者組 成。曙3d i m o x i “法是將高溫金屬液( 如a 1 ，t i ，z r 等) 暴露于空氣中，使其表面 首先氧化生成一層氧化膜( 如a 1 2 0 3 ，t i 0 2 ，z r 0 2 等) 。里層金屬再通過(guò)氧化層 逐漸向表層擴(kuò)散，暴露空氣中后又被氧化，如此反復(fù)，最終形成金屬氧化物增強(qiáng) 的m m c s 或金屬增韌的陶瓷基復(fù)合材料( c m c s ) 。為了保證金屬的氧化反應(yīng)不 斷進(jìn)行下去，n e w k i r 等人研究認(rèn)為，加入一定量的合金元素，可破壞表層a 1 2 0 3 膜的連續(xù)性，以保持a l 液與已形成的a 1 2 0 3 之間的顯微通道暢通，并可降低液 態(tài)a l 合金的表面能，從而增強(qiáng)生成的a 1 2 0 3 與鋁液的相容性，這樣使得氧化反 應(yīng)能不斷地進(jìn)行下去。目前，有關(guān)d i m o x 法的研究包括a 1 2 0 3 形成的反應(yīng)動(dòng)力 學(xué)分析及材料的顯微組織結(jié)構(gòu)分析等。在p r i m e x 法中，同時(shí)發(fā)生兩個(gè)過(guò)程：一 是液念金屬在環(huán)境氣氛的作用下向陶瓷預(yù)制件中的滲透；二是液態(tài)金屬與周圍氣 體的反應(yīng)而生成新的增強(qiáng)粒子。 目前，利用l a x i d e 法主要用于制備鋁基復(fù)合材料或陶瓷基復(fù)臺(tái)材料；其制品 已在汽車、燃?xì)夂蜏u輪熱交換楓上得到一定的運(yùn)用。 反應(yīng)噴射沉積工藝是在d i m o x t m 法和噴射沉積工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái) 的。它是利用個(gè)特殊的液體噴射分散裝置，在氧化性氣氛中，將鋁液分散成大 量細(xì)小的液滴，使其表面氧化生成a 1 2 0 3 膜。這些帶有a 1 2 0 3 膜的液滴在沉積過(guò) 程中，相互碰撞使表層a 1 2 0 3 膜破碎分散，同時(shí)內(nèi)部a l 液迅速冷卻凝固，從而 形成具有彌散分布的a 1 2 0 3 粒子增強(qiáng)的a l 基復(fù)合材料。 ( 2 ) 固一液反應(yīng)法 直接反應(yīng)法是將固態(tài)碳粉或硼粉直接加入到高溫合金熔體中，使c 或b 同合 西安工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文 金液中個(gè)別組元反應(yīng)，從而在基體中形成了碳化物或硼化物的增強(qiáng)粒子。 還原反應(yīng)法利用了化學(xué)上的還原反應(yīng)的原理，即將不穩(wěn)定的化合物加入到合會(huì)熔 體中，使合金熔體中的組元與加入的化合物發(fā)生熱還原反應(yīng)，生成所需要的更加 穩(wěn)定的陶瓷或金屬間化合物增強(qiáng)相。 擠壓反應(yīng)鑄造法是將合金液擠壓滲透到預(yù)制件中，使合金液中的合會(huì)元素在 高溫作用下與預(yù)制件中的某一組元發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng) 化基體的目的。 ( 3 ) 液液反應(yīng)法 孩工藝由美國(guó)s u t e k 公司發(fā)明并申請(qǐng)美國(guó)專利。它是將含有某一反應(yīng)元素( 如 t i ) 的合金液與含有另一反應(yīng)元素( 如b ) 的合金液同時(shí)注入個(gè)具有高速攪拌 裝置的保溫反應(yīng)池中?；旌蠒r(shí)，兩種合金液中的反應(yīng)組分充分接觸，并反應(yīng)析出 穩(wěn)定的增強(qiáng)相( 如t i b 2 ) 。隨后，將混合金屬液鑄造成形或快速噴射沉積，即可 獲得所需的復(fù)合材料。 ( 4 ) 固一圊反應(yīng)法 自蔓延高溫合成法( s h s ) 是蘇聯(lián)科學(xué)家a g ，m e r z h a n o v 等人 7 于1 9 6 7 年提出的。它是利用高放熱反應(yīng)的能量使兩種或兩種以上物質(zhì)壓坯的化學(xué)反應(yīng)， 自動(dòng)持續(xù)蔓延下去，生成金屬陶瓷或會(huì)屬問(wèn)化合物的方法。 x d “法由美國(guó)m a r t i nm a r i e t t a 實(shí)驗(yàn)室發(fā)明。它是將兩個(gè)固態(tài)的反應(yīng)元粉末 和金屬基體粉末混合均勻并壓實(shí)除氣后，將壓坯快速加熱到金屬基體熔點(diǎn)以上的 溫度，這樣，在金屬基體熔體的介質(zhì)中，兩固態(tài)反應(yīng)元素相互擴(kuò)散、接觸并不斷 反應(yīng)析出穩(wěn)定的增強(qiáng)相，然后再將熔體進(jìn)行鑄造、擠壓成形。 接觸反應(yīng)法”1 是在綜合了s h s 法和x d m 法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的又一制造 原位m m c s 的方法。首先，將反應(yīng)元素粉末按一定比例混勻，并制成預(yù)制塊，然 后，用鐘罩等工具將預(yù)制塊壓入一定溫度的金屬液中。在金屬液的高溫作用下， 預(yù)制塊中的元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成所需的增強(qiáng)相，攪拌后澆注成形。 混合鹽反應(yīng)法是英國(guó)l o n d o ns c a n d i n a r i n a i a nm e t a l l u r g i c a l 公司的專利技術(shù)。 它是將含有t i 和b 的鹽類( 如k b f 4 和k 2 t i f 6 ) 混合后，加入到高溫的金屬熔 體中，在高溫作用下，所加鹽中的t i 和b 就會(huì)被金屬還原出來(lái)而在金屬熔體中 反應(yīng)形成t i b 2 增強(qiáng)粒子，扒去不必要的副產(chǎn)品，澆注冷卻后即獲得了原位t i b 2 增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。用此法強(qiáng)化的2 0 1 4 鋁合金的抗壓強(qiáng)度o ?？蛇_(dá)5 2 0m p a 。3 且生產(chǎn)成本低。為推廣此方法，歐共體決定資助由歐洲3 所大學(xué)研究機(jī)構(gòu)和 包括d a i m t e rb e n z ，f i a t ，a e r o s p a t i a l e 公司在內(nèi)的生產(chǎn)廠家提出的研究計(jì)劃 ( i n 2 s i t up r o c e s s i n go f a l u m i n i u mm a tr i x c o m p o s i t e s ，簡(jiǎn)稱i s p r a m ) 。 兩安t 業(yè)學(xué)院碩l 學(xué)位論文 以上各種方法雖各有特點(diǎn)，但具有以下兩方面的共性：一是增強(qiáng)體都是經(jīng)過(guò) 反應(yīng)在基體中自生的，增強(qiáng)體和基體界面清潔、穩(wěn)定、結(jié)合強(qiáng)度大且增強(qiáng)體尺寸 均小于1 “m ：二是復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性以及其它力學(xué)性能取決于原位生長(zhǎng)的增 強(qiáng)體本身物理性質(zhì)、幾何尺寸以及其顯微組織形態(tài)和基體相的含量“。因此， 原位復(fù)合材料制備方法的研究一般集中在合金的配制、參與反應(yīng)物質(zhì)的設(shè)計(jì)、采 用的工藝方法、原位反應(yīng)的機(jī)理以及原位復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能研究等方面， 并在這些方面已發(fā)表了大量的研究論文。從制備工藝的便利性上來(lái)看，混合鹽反 應(yīng)法最為簡(jiǎn)單，它基于鋁合金的熔煉技術(shù)，成本低，過(guò)程容易控制，易于批量生 產(chǎn)，可以一步到位地制得形狀復(fù)雜、尺寸大的構(gòu)件，因此被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)業(yè)化的工藝技術(shù)。 1 2 4 原位復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)方法 原位復(fù)合材料是由合余同其它組元在一定的溫度下反應(yīng)生成的。因此，該材 料受制備工藝及各種制各參數(shù)的影響。為了正確反映原位復(fù)合材料應(yīng)有的性能， 必須選擇最佳的制備工藝及參數(shù)。采用正交實(shí)驗(yàn)是獲得最佳工藝途徑的最有效的 方法。正交試驗(yàn)是參數(shù)設(shè)計(jì)的最基本方法，是在多因素試驗(yàn)條件下，采用盡可能 少的試驗(yàn)次數(shù)優(yōu)選出最好的參數(shù)水平組合的科學(xué)方法。 正交設(shè)計(jì)是利用正交表所做的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)的安排和實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析這兩個(gè)部分。 ( 1 ) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)明確設(shè)計(jì)目的，提出設(shè)計(jì)指標(biāo)：根據(jù)目標(biāo)值。擬定因素水 平表；根據(jù)因素水平表選擇正交表；排表頭，制定試驗(yàn)計(jì)劃表；按試驗(yàn)計(jì)劃表進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)，并做好記錄；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算。 ( 2 ) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析有三種方法：一是極差法，二 是方差法，三是信噪比法。應(yīng)用第一和第二種分析方法是傳統(tǒng)的正交實(shí)驗(yàn)分析方 法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可以得到影響材料力學(xué)性能的最顯著的因素，從 而為控制復(fù)合材料的制備工藝和最大限度地發(fā)揮材料的潛能打下基礎(chǔ)。 目前常用的實(shí)驗(yàn)方法有逐點(diǎn)試驗(yàn)法和抽試法。逐點(diǎn)試驗(yàn)法要把所有的搭配條 件都做全，不但耗時(shí)費(fèi)錢，而且在因素多的情況下，試驗(yàn)次數(shù)太多，根本就無(wú)法 辦到。( 例如有十三個(gè)因素，每個(gè)因素都取三個(gè)水平來(lái)做試驗(yàn)，則會(huì)有3 1 3 = 1 5 9 4 3 2 3 次試驗(yàn)) 。同時(shí)，逐點(diǎn)試驗(yàn)法面對(duì)全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)也缺乏科學(xué)的分析方法，找不準(zhǔn) 矛盾的主次，也發(fā)現(xiàn)不了各個(gè)因素之間的內(nèi)在聯(lián)系。 抽試法是一種試試看的辦法。在眾多的搭配條件下，任意抽出幾種搭配條件 來(lái)試試看，沒(méi)有科學(xué)的依據(jù)，只求試驗(yàn)結(jié)果及格就行，不知道什么樣的水平組合 西安t 業(yè)學(xué)院碗士學(xué)位論文 最優(yōu)，往往在選定了參數(shù)水平之后，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐認(rèn)為不好又要反工，造成了很 大的浪費(fèi)。 正交試驗(yàn)法不僅可以用極少量的試驗(yàn)來(lái)代替大量的試驗(yàn)，( 試驗(yàn)數(shù)量越大， 越能體顯出正交設(shè)計(jì)的優(yōu)越性和科學(xué)性) ，而且有一套科學(xué)的分析方法。該方法 可以很快指明整體目標(biāo)與各個(gè)因素之間，各個(gè)因素相互之間，以及各個(gè)因素水平 之間的相互關(guān)系。使試驗(yàn)者總能抓住事物的本質(zhì)，并很容易確定出影響目標(biāo)質(zhì)量 的主要矛盾是什么，次要矛盾是什么以及各個(gè)因素的水平變化與目標(biāo)值的關(guān)系。 通過(guò)f 交實(shí)驗(yàn)所選取的影響因素及成分組成更為可靠。 正交實(shí)驗(yàn)的兩大特點(diǎn)是均衡搭配性和綜合可比性。均衡搭配性就是每列中各 號(hào)水平出現(xiàn)的次數(shù)是相同的；綜合可比性是指按f 交表取得的試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn) 單的歸納和計(jì)算，就可以將復(fù)雜條件簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)單因素來(lái)考慮，這樣就可以綜 合比較各個(gè)因素對(duì)目標(biāo)性能所起作用的大小、各個(gè)因素之間以及各因素的水平之 問(wèn)的相互關(guān)系。 1 3 原位增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)況及存在的問(wèn)題 自從8 0 年中后期，美國(guó)的l a n x i d e 公司和d r e x e l 大學(xué)的研究者報(bào)道了他們研究 的原位a 1 2 0 3 a i 和t i c p a 1 復(fù)合材料及其制備工藝以來(lái)，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(guò)十多年的發(fā)展。己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)“1 ( i ) s h s ：即自蔓延高溫合成( s e l f p r o p a g a t i n gh i g h t e m p e r a t u r e s y n t h e s i s ) 本技術(shù)最早合成t i b 。強(qiáng)化c u 基復(fù)合材料，后來(lái)才被移植到原位鋁基 復(fù)合材料的。它利用粉狀材料壓塊在高溫點(diǎn)燃后自行燃燒維持反應(yīng)，從而在材料 中形成強(qiáng)化相。它所制得的材料成本高昂，難以推廣，并且稀釋問(wèn)題也未能很好 地解決。 ( 2 ) x d ：將各種各樣的強(qiáng)化相組元粉末與基體鋁合金粉末混合，加熱到 基體熔點(diǎn)與需要的強(qiáng)化相熔點(diǎn)溫度之間，進(jìn)行熱處理及采用促進(jìn)擴(kuò)散措施，使生 成強(qiáng)化相的反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，并使強(qiáng)化相均勻分布于基體之中。這種工藝制備的 t i c p a 1 復(fù)合材料，一般需要進(jìn)行稀釋處理若將混合粉末制成壓坯，直接置于鋁 熔體中，可以直接得到所需的鋁基原位復(fù)合材料。它的優(yōu)點(diǎn)是可控制強(qiáng)化相體積 分?jǐn)?shù)及類型，可調(diào)整工藝參數(shù)，改變強(qiáng)化相粒子大小，并進(jìn)行近終形成型。 ( 3 ) v l s ：是目前比較成熟的技術(shù)之一，上世紀(jì)8 0 年代末的發(fā)明專利。普遍 做法是將含氮?dú)怏w或含碳?xì)怏w充入鋁熔體或a i - s i 合金熔體中，反應(yīng)生成a i n 或 s i c 強(qiáng)化粒子。生成的強(qiáng)化相粒子粒度細(xì)小，工藝連續(xù)性好，可獲得直接使用的 西安工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文 鋁基復(fù)合材料鑄件。 ( 4 ) r s d ：即反應(yīng)噴射沉積( r e a c t i o ns p r a yd e p o s i t i o nf o r m i n g ) 。本技術(shù)最 初申請(qǐng)的專利不是制造鋁基復(fù)合材料，在后來(lái)的研究中，才開發(fā)出來(lái)用于制造原 位鋁基復(fù)合材料。在低壓條件下，將0 2 、n 2 或0 2 干i j n 2 氣體混合體，通過(guò)噴嘴與 噴射中的鋁合金液滴混合、反應(yīng)，生成a 1 2 0 3 j 手 j a l 粒子，共沉積到基體上快速凝 固。優(yōu)點(diǎn)是原料成本低，強(qiáng)化相體積分?jǐn)?shù)可調(diào)，陶瓷粒子大小可控且分布均勻， 具有快速凝固的優(yōu)點(diǎn)，可以近終成形。 ( 5 ) r m a ：即反應(yīng)機(jī)械合金化( r e a c t i o nm e c h a n i c a la l l o y i n g ) 。與機(jī)械+ 合 金化相似，是利用機(jī)械研磨過(guò)程中微小區(qū)域出現(xiàn)的高溫，使反應(yīng)得以進(jìn)行，生成 強(qiáng)化相，形成的粉末混合體經(jīng)熱加工處理，得到原位鋁基復(fù)合材料。優(yōu)點(diǎn)是生成 的強(qiáng)化相粒子表面潔凈，粒度??；機(jī)械合會(huì)化過(guò)程中形成的過(guò)飽和固溶體在隨后 的熱加工處理中將分解生成細(xì)小彌散的顆粒，彌散強(qiáng)化機(jī)體；得到的復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)可以非常致密。 ( 6 ) r e ：反應(yīng)鑄造( r e a c t i o nc a s t i n g ) 。將含有需要產(chǎn)生強(qiáng)化相元素的原 材料加入熔融的鋁合金基體金屬液中，通過(guò)一定工藝手段使混合體中發(fā)生原位反 應(yīng)，生成所需強(qiáng)化相晶體，均勻分布于整個(gè)熔體中，然后鑄造成鑄件。如將t i 、 n i 、f e 粉或者它們的氧化物，加入高溫鋁熔體中，并均勻分散，反應(yīng)合成金屬間 化合物( 如a 1 3 f e ，a 1 3 t i 等) 或金屬間化合物十氧化鋁強(qiáng)化相，然后鑄成鋁基復(fù)合 材料件。它是目前研究得最多的原位技術(shù)，因?yàn)榭衫迷心＞吆驮囼?yàn)設(shè)備進(jìn)行 近終型鑄造，能以經(jīng)濟(jì)的方式獲得高性能的鋁基復(fù)合材料鑄件。 盡管在實(shí)驗(yàn)室已研究開發(fā)出了多種原位鋁基復(fù)合材料制備工藝，生產(chǎn)制備了 不少種類的原位鋁基復(fù)合材料，但由于研究時(shí)間較短，許多應(yīng)用項(xiàng)目剛起步，還 存在不少問(wèn)題。 ( 1 ) 增強(qiáng)相原位形成的機(jī)制問(wèn)題 關(guān)于這一點(diǎn)，已有的初步研究結(jié)果不盡一致。一般存在兩種學(xué)說(shuō)：一是原位 顆粒的形核一長(zhǎng)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(duì)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(wèn)題 特別是對(duì)于那些在澆注前需保溫的金屬液來(lái)說(shuō)，己形成的增強(qiáng)顆粒在金屬液 內(nèi)容易聚結(jié)、偏析，而且，在凝固過(guò)程中，常偏析于樹枝晶間或晶粒邊界。因此， 為了獲得更理想的組織，必須從不同的角度，進(jìn)一步研究合理的均化工藝( 如快 速凝固工藝等) 。 兩安t 業(yè)學(xué)院頓十學(xué)位論文 ( 3 ) m m c s 的凝固特點(diǎn)問(wèn)題 目前對(duì)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(duì)這種混合液 的凝固特征，如凝固過(guò)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(wèn)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 a 1 4 c 3 ，f e 3 c 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m m c s 的種類問(wèn)題 由于受反應(yīng)條件和工藝的限制，目前所制備的原位m m c s 主要為a l 基或c u 基復(fù)合材料，而對(duì)其它金屬基體( 如m g ，t i ，f e 等) 的原位復(fù)合材料研究甚少。 因此，可利用上述各工藝的基本原理，開發(fā)出更多類型的復(fù)合材料，以滿足實(shí)際 生產(chǎn)中不同工況的需要。 ( 6 ) 原位m m c s 的性能和應(yīng)用問(wèn)題 目前的許多文獻(xiàn)只報(bào)導(dǎo)了原位m m c s 的簡(jiǎn)單制備工藝過(guò)程和所得材料的組 織特征及常溫力學(xué)性能，而有關(guān)材料的其它性能和應(yīng)用情況報(bào)導(dǎo)不多。因此，必 須進(jìn)一步完善各種工藝方法，對(duì)所得材料的性能，特別是力學(xué)性能、鑄造性能等 均需進(jìn)行全面的分析和研究，為這些材料在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供更全面的技術(shù) 資料。 ( 7 ) 增強(qiáng)相的強(qiáng)化和逆性提高機(jī)制問(wèn)題 原位復(fù)合材料由于增強(qiáng)相尺寸細(xì)小并且與基體有良好的結(jié)合界面，因而其增 強(qiáng)機(jī)制與外加增強(qiáng)體的復(fù)合材料有較大區(qū)別，對(duì)不同材料增強(qiáng)機(jī)制的對(duì)比研究工 作還很不充分；原位復(fù)合材料的最大特點(diǎn)之一就是其既具有高的強(qiáng)度，又具有略 高于基體材料的延伸率。對(duì)于原位復(fù)合材料的延伸率并不比基體材料降低這一問(wèn) 題的研究報(bào)導(dǎo)還很少，這對(duì)揭示材料的內(nèi)在潛力，充分發(fā)揮材料的綜合性能十分 不利。因此要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)原位復(fù)合材料逆性提商機(jī)理的研究，得到延伸率提高 的理論依據(jù)。 1 4 研究意義及研究?jī)?nèi)容 1 4 1 研究意義 原位復(fù)合材料由于其優(yōu)異的綜合性能而成為新型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究方向 西安工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文 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m m c s 的制備方法也j f 在日益受到材料工作者的高度重視。由前述的制備方法可看出， 原位復(fù)合材料制各工藝原理簡(jiǎn)單操作過(guò)程易于控制。在原位復(fù)合材料的研究過(guò)程 中，材料工作者們已對(duì)材料的制備過(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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 1 5 3o 尤其當(dāng)同時(shí) 有兩種增強(qiáng)體增強(qiáng)時(shí)，原位復(fù)合材料的界面微結(jié)構(gòu)特征、制備工藝、鑄造性能、 成型工藝等方面的研究尚未見有報(bào)導(dǎo)。 1 4 2 研究?jī)?nèi)容 本文的研究目標(biāo)是研制低密度、高性能、低造價(jià)、用途廣并易于工業(yè)化大 生產(chǎn)的a i n a 1 3 t i z l l 0 1 原位復(fù)臺(tái)材料。主要研究?jī)?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(cè)、增強(qiáng) 相與基體界面的金屬學(xué)特征、增強(qiáng)機(jī)制及增塑機(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)的研究方法優(yōu)選出a 卜s i _ t 卜m g 合金系在一定溫度下自反應(yīng) 生成原位復(fù)合材料時(shí)的最佳成分配比。 2 制備由a i n 和a 1 3 t i 復(fù)合強(qiáng)化的原位a 1 n a 1 3 t i z l l 0 1 復(fù)合材料。采用正交 實(shí)驗(yàn)的方法確定a 1 、s i 、t i 、m g 的最佳含量及吹氮?dú)獾淖罴褧r(shí)間；研究材料的 力學(xué)性能與顯微組織的關(guān)系；探索材料的工業(yè)化使用性能。 3 分析討論a 1 n a 1 3 t i z l l 0 1 原位復(fù)合材料增強(qiáng)相對(duì)材料的強(qiáng)化機(jī)制及增韌 機(jī)制，采用透射電鏡確定和分析增強(qiáng)相，采用掃描電鏡分析原位復(fù)合材料的斷裂 機(jī)制。 本課題的研究將對(duì)原位復(fù)合材料這一新的復(fù)合材料領(lǐng)域進(jìn)行較為深入的探 討。 2 熱力學(xué)原理 2 熱力學(xué)原理 2 1 引言 增強(qiáng)體是原位復(fù)合材料中的強(qiáng)化相，它能否穩(wěn)定存在、它的尺寸、形貌、它 本身的晶體特征及同基體材料的金屬學(xué)關(guān)系，是影響復(fù)合材料綜合性能的主要因 素。對(duì)于一個(gè)給定的反應(yīng)，在指定條件下能否自動(dòng)進(jìn)行，向哪個(gè)方向進(jìn)行，進(jìn)行 到什么程度，外界條件對(duì)反應(yīng)有什么影響，如何控制外界條件使反應(yīng)向預(yù)定的方 向進(jìn)行，反應(yīng)過(guò)程中能量的變化關(guān)系怎樣，這些問(wèn)題的研究主要以熱力學(xué)理論為 基礎(chǔ)。而反應(yīng)速度的快慢以及反應(yīng)究竟是如何進(jìn)行的，外界條件對(duì)反應(yīng)速率有什 么影響，如何控制反應(yīng)速率等是化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容。原位復(fù)合材料是復(fù)合材 料家族的新成員，由于其制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單易于工業(yè)化大生產(chǎn)、材料制備成本低、