【摘 要】
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A356合金的铸造和力学性能都比较优异,在工业上的广泛应用,但是为了适应轻量化要求,可以通过引入原位增强颗粒来进一步提高其力学性能。为了有效控制复合材料的制备成本,本文以来源广泛且价格低廉的煅烧高岭土为反应物原料,系统研究了铝-煅烧高岭土原位体系的反应过程和机理,采用熔体直接反应法成功制备出高强纳米Al2O3p/A356复合材料,分析了不同工艺参数对A356复合材料微观组织影响及其对应的力学性能变
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A356合金的铸造和力学性能都比较优异,在工业上的广泛应用,但是为了适应轻量化要求,可以通过引入原位增强颗粒来进一步提高其力学性能。为了有效控制复合材料的制备成本,本文以来源广泛且价格低廉的煅烧高岭土为反应物原料,系统研究了铝-煅烧高岭土原位体系的反应过程和机理,采用熔体直接反应法成功制备出高强纳米Al2O3p/A356复合材料,分析了不同工艺参数对A356复合材料微观组织影响及其对应的力学性能变化,探讨复合材料的断裂和强化机理,得到以下结论:铝-煅烧高岭土体系的反应自由能ΔGT0=-2093230+166.41T,令ΔGT0=0,则T0=12578.75K,当T<12578.75K时,ΔGT0<0,原位反应能顺利发生。DSC分析表明,铝-煅烧高岭土体系在873℃发生放热反应,且反应起始、峰值和结束阶段的反应活化能分别为84.5kJ/mol、87.6kJ/mol和301.5kJ/mol。借助基辛格方程对升温速率分别为 10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min、30℃/min 的差热分析数据进行计算表明,随着反应的进行该体系的活化能不断增加。通过球磨混粉结合真空反应烧结,对铝-煅烧高岭土体系的化学反应进行了研究。结果表明:铝-煅烧高岭土体系通过铝液在煅烧高岭土表面的扩散渗透实现局部反应并生成γ-Al2O3和Si;保温时间为30min时,加热温度越高反应越完全,生成的γ-Al2O3尺寸也越大;加热温度为800℃时且保温时间为Omin时,γ-Al2O3颗粒尺寸约为1μm,γ-Al2O3颗粒随保温时间增加略有增大,保温时间为50min时反应已基本完成,在微米γ-Al2O3颗粒基础上出现少量纳米颗粒,形成γ-Al2O3p/Al复合材料。借助高能超声处理,采用熔体直接反应法成功制备出不同体积分数的纳米Al2O3p/A356复合材料。分析表明,经6min超声处理后,0.6vol.%纳米Al2O3p/A356复合材料中的纳米颗粒分散均匀,无明显气孔;0.6vol.%纳米Al2O3颗粒对复合材料显微组织中α-Al和Si相的细化效果最好,此时α-Al二次枝晶臂间距为14～17μm,最长的Si相长度为15μm;T6热处理对Si相有明显的细化作用,但对纳米颗粒的分散和α-Al的二次枝晶臂间距无明显影响。对0.6vol.%纳米Al2O3p/A356复合材料进行挤压铸造研究表明:在浇注温度720℃、压射速度0.1m/s、保压时间10s和压射比压80MPa的条件下,α-Al晶粒和Si相进一步得到细化,同时孔洞和疏松等缺陷消除。T6热处理对复合材料中Si相的球化作用更明显,分散也更加均匀。根据力学性能测试结果可得,经80MPa挤压铸造的0.6vol.%纳米Al2O3p/A356复合材料在T6态的维氏硬度、抗拉强度和延伸率分别达到143.5HV、326MPa和6.33%,与重力铸造T6态相比分别提高了 24.57%、17.27%和32.43%,与挤压铸造态A356合金的T6相比提高了 27.9%、42.36%和161.57%。断口分析表明,重力铸造下A356基体为脆性断裂,0.6vol.%纳米Al2O3p/A356复合材料以脆性断裂为主;挤压铸造态A356合金和复合材料均为脆-韧混合断裂;挤压铸造的基体和复合材料经T6热处理后的断裂方式均趋向于韧性断裂。
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