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搅拌摩擦加工对原位制备ZrB2/2024铝基复合材料微观结构与性能的影响

1.57万字 37页 原创作品，独家提交，已通过查重系统


摘要： 熔体原位反应法制备ZrB2/2024铝基复合材料，工艺简单，制备成本低，易推广，但是由于铸造缺陷的存在以及铸造条件的限制，其结构性能不高，增强相尺寸、形貌、在基体合金中分布均匀性不理想。对其进行搅拌摩擦，可以改善材料的微观结构，提高材料内部结构的致密性，减少铸造缺陷，从而提高材料的综合性能。本设计因此有针对性地设计分析了搅拌摩擦塑性变形工艺及不同搅拌道次对ZrB2/2024铝基复合材料的微观组织和性能的影响。
研究表明：搅拌摩擦不同道次使得材料发生了不同程度的晶格畸变。而且搅拌摩擦对增强相细化效果明显，搅拌摩擦后增强颗粒尺寸大致直径在5μm以下；经搅拌摩擦1道次后，晶粒尺寸得到细化，大部分晶粒尺寸已下降至40μm以下；而搅拌3道次后，材料尺寸得到进一步细化，晶粒尺寸下降至30μm以下，大部分晶粒已接近20μm；搅拌5道次后，复合材料的晶粒尺寸已得到显著细化，平均晶粒尺寸已达到15μm左右。较原始铸态材料细化400%以上。
然后，对不同搅拌摩擦后试样的硬度进行了测试，发现随着搅拌道次的增加，复合材料的硬度呈现先上升，后下降的趋势。硬度的大小整体变化差异并不是很大。搅拌1，5道次后硬度较母材分别上升9.9%和2%；而搅拌5道次后硬度较母材则下降13.5%。
其次，对其耐磨性能以及不同加载在和条件下材料的磨痕机制进行了一定的分析，结果表明：搅拌摩擦会使得复合材料的耐磨性得到提升，但并不是搅拌道次越多，提升程度越大，当搅拌道次达到一定数量时，其耐磨性反而会开始下降。实验可知，搅拌摩擦3道次能够最大限度的提升复合材料的耐磨性能。而当载荷为5N时，磨痕浅且细，表面光滑平整，宏观上表现出较小的磨损率。当载荷处于10N时，宏观磨痕与A相似，但从微观磨痕来看，磨痕显著加深，且粗大了不少；当载荷为15N时，磨损表面开始变为黑色，磨痕大且深出现磨损率线性增加的现象，从中大致可以判断为出现了较为严重的氧化磨损现象。
最后，通过对材料进行拉伸试验，研究其韧窝形状，发现铸态复合材料韧窝较大较浅，韧窝内可明显看见表面光亮的颗粒，即增强颗粒在拉伸过程中发生脆性断裂，搅拌摩擦后拉伸断口韧窝相对较小较深，发生韧性断裂。

关键词 ZrB2/2024铝基复合材料；搅拌摩擦；微观结构；耐磨性能；磨痕机制