三氧化二铝7075基复合材料的摩擦磨损性能研究.docx

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三氧化二铝7075基复合材料的摩擦磨损性能研究

本科毕业论文

题目：

Al2O3/7075基复合材料的摩擦磨损性能研究

摘要

颗粒增强铝基复合材料因其特有的比重轻、比强度与比模量高、耐磨及耐高温等优良性能，在航空航天、电子和汽车制造等行业中具有广阔的应用前景。

研究了原位反应生成A1203制备颗粒增强铝基复合材料的工艺，其制备条件是:

熔体温度900℃，CuO粉末与Al粉混合均匀，压制成块，加入铝液中搅拌，扒去表面的浮渣，将熔体浇铸到预热的模具中，快速冷却。

颗粒是在基体内部原位反应生成，颗粒细小，表面洁净，与基体结合良好。

将试样切割成块，在摩擦磨损机上分别设置20N，30N，40N，50N和转速为80r/min,100r/min,110r/min,120r/min摩擦600s后称量其磨损量。

研究表明加入8%A1203后硬度和磨损性能大大提高，表面磨痕变浅。

关键词：

原位反应；颗粒增强体；磨损性能

Abstract

PartieulatereinofreedmetalmartixcompositesPossessseveraladditionaladvantagessuchaslightweight，highspeeificstrengthandstinffess，wear-resistingandhightemperature-resisting.StudinginsitureactionofA1203particulatereinforcedaluminummatrixcompositepreparedbytheprocess,thepreparationconditionsare:

melttemperatureis900℃,CuOpowdermixedwithAlpowder,pressedintoblocks,byaddingaluminumliquidmixing,Patothesurfacescum,willmeltintowarmmoldcastingandrapidcooling.Particleswithinthematrixinsituinthereaction,smallparticles,surfacecleanliness,andgoodsubstrate.

    Thesamplecutintopieces,thefrictionandwearmachineweresetto20N,30N,40N,50N,andspeed80r/min,100r/min,110r/min,120r/min600safterweighingthefrictionwear.Theresultsshowthat,afteradding8%A1203greatlyimprovedhardnessandwearresistanceofthesurface,themarksareshallow.

Keywords：

Insitureaction；particlereinforcement；Wear

第一章绪论

现代科学的飞速发展对材料提出了越来越高的要求，除了优异的力学性能外，还希望材料具有某些特殊性能和良好的综合性能。

对于这些要求，单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料往往难以满足。

因此，促进人们开发、研究新的材料，如各种复合材料，其中金属基复合材料因为具有优良的性能而备受人们的重视。

特别是航空航天工业、宇宙空间和海洋开发事业的发展，要求新型的结构材料具有高比强度、高比模量和耐高温性能，不断开发研究增强相（纤维、晶须、颗粒）与树脂、金属、陶瓷、碳基体复合而成的宏观复合材料。

应用比较广泛的纤维增强树脂基复合材料主要有高性能热固树脂、高性能热塑树脂以及热致液晶高聚物和半互穿网络高聚物等基体的复合材料，这些复合材料仅适用于350℃以下[l-6]。

为了提高材料的使用温度范围，现在正掀起一股研究开发各种陶瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料的热潮。

在诸多的颗粒增强金属基复合材料中，铝基复合材料由于具有密度小、熔化温度低、高导热性且成本低等特性，己经得到世界范围内的广泛研究并日趋工业化。

颗粒增强铝基复合材料是以纯铝或铝合金为基体，复合添加一定的颗粒增强相而成的。

颗粒增强铝基复合材料是利用增强相的低密度、高强度、高弹性模量等特点提高了材料的比刚度和比强度；利用增强相的高硬度特点提高了材料的耐磨性能；利用增强相热膨胀系数低的特点提高了材料的尺寸稳定性和抗热冲击性能；同时铝基复合材料具有不吸潮、不老化、气密性好、耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点。

在航空航天、汽车、电子、光学等工业领域展示了广泛的应用前景，是当前金属基复合材料理论研究和工程试践中备受关注的课题。

1.1颗粒增强金属基复合材料

1.1.1颗粒增强金属基复合材料的制备工艺

颗粒增强金属基复合材料（MMCs）因其特有的高比强度、高比模量、耐磨及耐高温等优良性能，在航空航天和汽车制造等行业中具有广阔的应用前景。

长期以来，对MMCs制备工艺的研究一直侧重于传统的外加增强体与基体复合的方法，如粉末冶金法、共喷沉积法、中间合金法、液态金属浸渗法、挤压铸造法等等。

这类方法不仅工艺复杂，成本较高，而且存在增强体与基体之间相容性较差，结合不良等问题。

针对这些情况，近年来发展起来了一种制备MMCs的新型方法—原位反应合成法，原位复合工艺基本上能克服上述这些问题，己被视为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍重视，原位复合的概念源于原位结晶[7-10]。

早在1967年，前苏联A.G.Merzhanov等人[11]用SHS法合成TIB2/Cu功能梯度材料时，就提出了原位复合材料的构想，但当时尚未引起人们的重视。

直到80年代中后期，当美国Lanxide公司和Derxel大学的M.J.Kocazk等人先后报道了各自研制的原位A12O3/Al和TiC/AI复合材料及其相应的制备工艺后，才正式在世界范围内拉开了原位复合研究工作的序幕。

美国金属学会（ASM）分别于1993年和1995年两次召开了原位复合材料的国际专题研讨会。

由此可见，原位MMCs及其制备技术已成为材料科学工作者普遍关注的研究课题。

MMCs原位反应合成技术的基本原理是在一定条件下，将粉末或其他材料加入到基体金属熔液中，通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体（固态或液态）内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相。

该方法合成的第二相颗粒尺寸小，界面清洁，与基体相容性好，且弥散分布，从而达到强化金属基体的目的。

与MMCs传统复合工艺相比，该工艺具有如下特点：

增强体是从金属基体中原位形核、长大，表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高；通过合理选择反应元素（或化合物）的类型、成分，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量；省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，因此，其工艺简单，成本较低；从液态金属基体中原位形成增强体的工艺，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的净近形构件；在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。

当然，以上这些优点并不是所有的体系都具备，但是对于某一具体材料用原位法制备通常有较高的性能价格比。

同时，原位反应法也有其缺点：

原位增强体通常是以析出的方式生成，并且选择原位增强体也只能限于该基体内热力学稳定的颗粒，颗粒的尺寸和形状受形核和长大过程控制。

尽管制备过程可以相当灵活和多种多样，但是最终的尺寸和形状由系统的动力学决定，而并不取决于外部条件。

所以有必要对其原位反应工艺的过程机理作深入的分析，以指导试验并获得最佳工艺参数；而且对于材料制备过程中微观组织的形成规律，原位复合材料的界面问题，以及它们对性能的影响还远未认识清楚；同时，原位反应过程的反应副产物问题也是当前该领域的一个急待解决的工艺问题；而对工艺改进优化和这些基本规律的研究是原位复合材料走向工业化的必由之路。

1.1.2颗粒增强金属基复合材料的原位反应制备方法

1自蔓延高温合成法（SHS）

SHS法最初是由前苏联A.G.Mehzrnaov等[12-15]于1967年提出来的，它是利用放热反应放出的热量维持反应的进行，使化学反应自动进行下去，生成金属陶瓷或金属化合物的方法。

这种方法中化学反应的引发有多种方式，最主要的一种是用钨丝点燃反应物的粉末压坯的一端，引发反应，并向另一端以燃烧波的方式传播进行；另一种学用的方法叫热爆，是指用快速加热的方法使坯块整体温度上长至反应发生温度，坯块整体几乎在同时发生了放热反应。

还有微波引燃法、激光引燃法、化学炉法等引燃方法。

据报道，目前用SHS法可获得包括复合材料、电子材料、陶瓷材料、金属间化合物、超导材料等500多种材料。

在金属基复合材料方面，已制备了原位生成的TiC、TiB、A12O3和SiC等粒子增强的Al、Cu、Ni和Ti等为基体的块体复合材料[l6-18]和表面涂层复合材料。

这种方法的明显优势是节约能源，制备过程在极短的时间内完成，能获得亚微米尺寸的增强体，且其热力学性质稳定，与基体裁的界面干净无杂物。

但是它的缺点也很明显：

主要在于所制备的材料多为疏松开裂状态，制备的控制困难（增强体的尺寸和形状），目前SHS的致密化研究是该领域的热点课题，以期获得全致密高性能的结构材料。

2XDTM原位生成法

XDTM原位生成法[19-21]是1953年美国MartinMarietta公司开始研究开发的制备金属基复合材料工艺。

它是一种液体与固态粉末反应制备增强相的方法。

生成陶瓷相的两种粉末混合后，在液相金属中被加热发生反应生成陶瓷相，并伴有放热现象发生。

该工艺可以生成颗粒与晶须共同增强或单独增强的金属基和金属间化合物基复合材料。

XDTM法制备的坯块可以铸造成型，还可以再通过传统金属加工方法，如挤压和轧制进行二次加工。

另一种常用的工艺可以是先制备出增强体含量很高的母体复合材料，然后在重熔的同时加入适量的基体金属进行稀释，铸造成型后就可获得所需增强体含量的MMCs。

XDTM法的优点有：

增强相原位生成，具有热稳定性；增强相的类型，形态可以选择和设计；各种金属或金属间化合物均可以作为基体，从原理上讲，XDTM法适用于宽泛的材料体系和成分；复合材料可以制备成坯锭，能采用传统金属后续加工方法进行二次加工处理；工艺简单，成本低且材料性能良好。

XDTM法的缺点较少，基本上与工艺过程的热力学限制所导致的成分和增强体限制等有关，在高温制备过程中容易出现颗粒的粗化。

目前，XDTM法己制备了TiC/Al、TiB2/Al、TiB2/Al-Li等复合材料。

其今后的发展方向有：

制备高强、导热导电良好的TiB2增强Cu基复合材料；制备经济、耐磨的TiC增强Al基材料；制备功能性多相材料等。

美国国防部还把XDTM法应用到钦铝基复合材料的导弹飞翼，以取代原来的不锈钢材料。

3反应喷射沉积（RSD）

RSD法是最近发展起来的新型复合工艺，典型的方法有：

反应雾化沉积（RAD）和反应低压等离子喷射沉积（RLPPS）。

反应雾化喷射沉积是把具有近终形成、快速凝固特点的喷射成形技术与原位反应概念结合在一起，以制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料。

其基本工艺原理是：

熔融的金属液被雾化成粒径很小的液滴，它们具有很大的体表面积，同时又具有一定的高温，这就为喷射沉积过程中的化学反应提供了驱动力。

借助于液滴飞行过程中与雾化气体之间的化学反应，或在基体凝固过程中沉积外加粒子或金属间化合物粒子目前研究最多的是A12O3增强Al基复合材料，它是在雾化气体N2中充入适量的O2气，使雾化过程中大量细小的液滴表面氧化生成了A12O3膜，这些液滴在沉积过程中，互相碰撞使表面A12O3膜破碎分散，同时内部Al液迅速冷却凝固，从而形成了A12O3颗粒增强具有快凝微晶特征的铝基复合材料。

反应低压等离子喷射沉积工艺是将喷射室抽真空后通入等离子气体（如Ar、He、H等），使气压升至数千帕，并利用等离子弧发生器使室内气体加热和电离，在这种高能等离子的轰击碰撞下，反应气体和喷射的金属液滴吸收能量而相互发生反应，生成相应的陶瓷颗粒，再与剩余的金属液滴一起沉积后即得到这种陶瓷颗粒增强的金属基复合材料。

这种方法的主要优点是增强体由快速反应原位生成，颗粒细小，增强相与基体来不及形成反应层，界面结合强度高。

颗粒分布均匀，同时还具备喷射成形技术的快凝组织以及近净成形的能力。

制备的复合材料成本低而性能较好，有很好的发展前景。

其缺点是工艺过程在极短时间内完成，生成增强相数量较难控制。

目前国内外对这种方法正在进一步研究开发中。

1.1.3铝基原位复合材料的研究现状

采用廉价的原料来获得原位增强颗粒，国内外许多科研人员都进行了这方面的研究。

采用液态搅拌法比较系统地研究了CuO/Al、ZnO/Al、Cr2O3/Al和SiO2/Al体系的反应情况。

结果[22]表明，在1273K时CuO/Al体系反应状况良好，生成A12O3颗粒，但颗粒分布不是很均匀；ZnO/Al、SiO2/Al体系在无其它添加物的情况下不容易发生反应，但当加入少量Mg时，即可发生反应，有MgA12O4生成；而Cr2O3/Al体系无论是否加入添加物均不发生反应。

铝基体中常采用的原位生成增强颗粒有TiC、TiB2、A12O3等，对于TiC和TiB2，通常的反应体系为元素化合物反应体系，而A12O3则通过基体铝与氧化物的置换反应生成，制备工艺对复合材料的微观组织也存在着影响，选择不同的制备方法和不同的反应体系，所得复合材料的微观组织及其性能有着不同的特性。

在众多的研究中，CuO/Al反应体系以及其制备工艺研究较多。

北京科技大学的黄赞军、杨滨等[23]也研究了用CuO/Al体系制备A12O3颗粒增强的铝基复合材料，他们按一定的配比将Al粉与CuO粉混匀，压制成直径20mm、高30mm的压坯，再将压块投入铝熔体中，用石墨钟罩压入熔体内，压块在铝熔体中发生热爆反应。

生成的A12O3颗粒细小且分布均匀，但是随着A12O3颗粒量的增加，反应产物铜以网状CuAl3化合物形式割裂基体，恶化了材料的性能。

通过按一定配比添加SiO2，提出了原位合金化和原位反应颗粒共同强化铝基复合材料的概念，制备出了A12O3/A1-Cu-Si复合材料，在保持较高A12O3含量的同时，降低了A12O3/Al-Cu复合材料中的Cu量，提高了复合材料的性能。

兰州理工大学的王殿武、寇生中等[24]也对利用高能球磨试现CuO/Al体系的反应进行了研究，结果显示：

高能球磨使得反应剂粉末细小，弥散均匀分布，有利于反应进行完全，通过热压反应烧结获得了致密的复合材料。

对于SiO2/Al反应体系的研究也较多。

南京航空航天大学的朱正吼、葛振寅[25]等采用SiO2/Al体系，将粒径10～15μm的SiO2粉末与Al粉混合均匀，在模具中轻微冷压成初坯，利用XDTM工艺，在600℃保温6h的条件下，成功地制备了A12O3/Al复合材料：

反应生成的Si富集在A12O3粒子周围的基体中，以细小球形的结晶体形式析出；A12O3粒子与基体的界面结合良好，界面形式可能是纯物理结合或共晶界面。

大连理工大学的张守魁、王丹虹等[26]对SiO2/Al体系进行的研究是：

采用搅拌法将平均直径为300μm的SiO2粉末在300℃预热后加入到720℃的铝熔体中，铝液与SiO2颗粒反应原位生成A12O3并放热使熔体温度升高；A12O3是在SiO2颗粒表面形核并向内部长大，还出来的Si在凝固过程中析出，获得了A12O3/Al复合材料，其中的硬质相分布较均匀。

1.1.4颗粒增强铝基复合材料的应用及展望

颗粒增强铝基复合材料具有重量轻、比强度及比刚度高、良好的导热、导电性能、热膨胀系数低、尺寸稳定性好、良好的耐磨性能以及良好的断裂韧性和抗疲劳性能、良好的高温性能、在较高温度下不会放出污染环境的气体、不吸潮、不老化、气密性好、耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点；同时原材料资源丰富，可用常规设备和工艺加工成型，因而成本相对较低。

因此，有着极大的发展潜力和应用前景，近年来在复合材料领域，颗粒增强铝基复合材料在国内外倍受重视，发展迅速。

铝基复合材料在制造飞机液压管、直升机支架和阀体、卫星反动轮等取得了较好的应用效果。

在兵器工业中如导弹机翼、坦克火力控制镜基片等也有应用铝基复合材料的；同时，该材料在汽车制造工业中也有着广泛的应用，可用于制造发动机活塞、刹车盘、连杆和套缸等。

日本、德国等己相继开发出了适用于高速列车的SiC颗粒增强铝基复合材料制动盘，美国Ford公司进行了铝基复合材料轿车制动盘的研制和开发：

国内也有关于采用相关材料对摩托车制动轮毅和火车、轿车制动盘进行研制的报道。

颗粒增强铝基复合材料也可用于制造体育用品，诸如自行车链、齿轮、高尔夫球杆头等。

其他方面，如用于制造假肢、机械泵工作室、大型耐磨环等。

材料使用过程中，应根据不同工作要求选择适当的合金基体与增强颗粒进行优化设计，从而更好地发挥出铝合金基体和增强颗粒的复合作用和应用潜力。

同时，研究开发新的制备工艺，加强理论基础研究和试践探索，并解决复合材料的再生和回收问题，逐步降低复合材料的成本和价格。

相信不久的将来，随着基础研究的不断深入及制备技术的不断完善，颗粒增强铝合金基复合材料必将以其独特优势在航空航天、汽车、仪器仪表等工业领域得到广泛的应用，并取得较大的经济效益和社会效益。

1.1.5原位反应铝基复合材料的研究发展方向

原位反应法制备复合材料由于增强相是反应合成的，内生于基体之中，因而具有许多外加强化相增强铝基复合材料所不具有的独特优点：

1．增强体在铝基体内原位形核、长大，表面无污染，与基体间有良好的相容性，界面结合良好。

2．通过选择反应物的类型、成分来控制增强相种类、大小和数量，并可以通过工艺来控制其大小和分布，不易出现增强相的团聚或偏析。

3．省去了增强体的预处理，简化了工艺流程，成本也相对较低。

4．增强相颗粒细小，往往处于微米级或亚微米级，能保证铝基复合材料不但有良好的韧性和高温性能，而且有很高的强度和弹性模量。

5．能与铸造工艺相结合，直接制备形状复杂、尺寸变化大的近终形产品。

原位反应制备复合材料的工艺多种多样，但是，有些工艺不适合规模化工业生产，有些工艺的反应速度和反应生成物的控制较为困难。

因此，原位反应复合材料还存在如下问题需要人们去探索研究：

1研究反应生成颗粒的形成机理，进一步完善反应热力学、动力学体系。

研究控制反应过程的方法，以便能控制反应速度以及生成颗粒的大小、形状和分布。

增强相的均匀分布是困扰原位铝基复合材料研究者的主要问题，虽然已有不少均质化方法和大量的过程控制参数，但尚缺少有说服力的解决方案。

2在凝固过程中，己形成的增强颗粒在金属液内容易聚结、偏析，而且对这种混合液的凝固特征，如凝固过程、颗粒在液固界面前沿的行为以及铸造缺陷产生的机理和防止措施等，缺乏全面深入的研究，而这些又是获得优质复合材料的基本保证。

因此，为了获得更理想的组织，必须从不同的角度，进一步研究反应生成颗粒与基体材料的界面特征，以及颗粒在基体凝固过程中的行为，加深对含有颗粒的流变学的理解，以便能使反应生成颗粒更合理地分布于基体材料中。

3在反应过程中伴生的有害化合物也是目前原位铝基复合材料制备和研究中难以避免的一个难题。

在反应生成所需要的增强相的同时，有时在基体中也产生一些有害化合物，如Ti3Al，A14C3，Fe3C等，它们常以针状或条片状，往往割裂基体，使材料性能下降；而偏析于晶粒边界的有害化合物则严重影响材料的耐蚀性和抗疲劳性。

因此，必须进一步研究能抑制这些化合物产生的各种有效措施，或者消除其有害影响，甚至利用这些有害化合物，是今后的一个重要研究课题。

4目前有关原位反应生成MMCs的制备工艺过程和所得材料的组织特征的报道不少，但是还需进一步完善各种工艺方法，对所得材料的性能，特别是断裂韧性、抗疲劳性能和切削加工性能等进行全面的分析和研究，为这些材料在试际生产中的应用提供更全面的技术资料。

5试用化研究问题：

研究表明，许多原位MMCs具有优越的综合性能，然而这些研究大部分仅限于试验室，只有进一步研究原位反应复合材料的工业化生产工艺，研究出真正适合于大规模工业化生产的工艺，才能使得原位反应复合材料这一性能优良的材料真正得到推广使用，使其发挥作用。

1.2颗粒增强铝基复合材料耐磨性的研究现状

响材料耐磨性的因素有很多，既有外部因素，也有内部因素。

载荷、滑动距离、滑动速度、摩擦表面的温度、热处理状态、颗粒（种类、大小、数量、分布等）、表面状态、润滑条件、对偶件情况等等，所有这些因素相互联系，共同作用，因此，不能简单地割裂这些因素，但另一方面，任何研究都不能综其全部，所以我们只能研究其中的几个重要因素。

1.2.1增强颗粒的影响

颗粒对铝基复合材料的影响极其复杂，不同的颗粒以及相同颗粒在不同条件下，如含量不同、尺寸大小不同、分布情况不同、试验条件不同（平稳加载或冲击加载）等，有时会有彼此相反的结论，如前所述，在不同的条件下得出了不同的结论。

最早系统地研究各种不同增强物对复合材料磨损性能影响的学者是Sato和Mehrabian，他们[27]研究了SiC、TiC、Si3N2、Al3O2、SiO2、MgO、BN等颗粒增强的Al-4Cu、Al-4Cu-0.75Mg和6061Al复合材料。

除MgO、BN外，其余增强体都较明显地提高了复合材料的耐磨性，将这些增强体提高复合材料耐磨性的效果进行比较，并没有发现明显的区别，而含有MgO、BN的复合材料的耐磨性比基体材料的耐磨性反而要差得多。

1.2.2外加载荷的影响

关于载荷对复合材料摩擦磨损性能的影响，也有很多研究表明：

①高速干摩擦条件下，低载（50N～100N）时，SiC颗粒含量越高，复合材料的耐磨性越好，在中、高载（150N～300N）时，含SiC多的复合材料反而不及含SiC少的复合材料耐磨；②低速干摩擦条件下，低载（50N）时复合材料的耐磨性远高于基体，但随着载荷的增大，复合材料不如基体耐磨。

1.2.3外部温度的影响

接触面温度的变化对于摩擦与磨损过程有很大影响，有可能使表层的物理、化学特性改变，从而改变润滑机制、磨损机制等。

摩擦表面温度与摩擦副材料的热物理性能（导热率,热容量）、摩擦工况条件及散热条件有关。

许多研究[28]表明，复合材料从微量磨损向严重磨损的转变存在一个临界转变温度。

体积分数为15%的SiC增强2618Al复合材料的临界温度在150℃～200℃之间，基体材料的临界转变温度在100℃～150℃之间，这是因为增强体的存在提高了复合材料的抗软化和抗咬合性，因而提高了复合材料的临界转变温度。

1.2.4滑动速度的影响

C.SLee[29]等研究了Al3O2和SiC颗粒增强6061复合材料的磨损性能与滑动速度的关系，研究表明，对于复合材料来说，当滑动速度较低时（<0.37ms-1），复合材料的磨损率比基体材料高；当滑动速度进一步增加时，复合材料的磨损率降低；当滑动速度再进一步提高（>1.98ms-1），复合材料的磨损率比基体材料小得多。

1.3颗粒增强铝基复合材料主要表征参数

1.3.1摩擦温度

摩擦时，接触表面的温度高低和分布情况对摩擦磨损性能影响很大。

摩擦副表面温度的测量方法常用的是热电偶和远红外辐射测温，但是对于一些在封闭系统中工作或不断运动的部件，其摩擦表面温度无法用常规方法确定，渐渐地又研究出一些特殊的测量方法。

上世纪70年代美国首次采用先进的氪化技术对复合材料摩擦表面的最高工作温度作了精确测定。

1.3.2摩擦系数

由于复合材料中强硬相（颗粒）分布在较软的铝合金基体上，构成了较好的硬软配合，并减少了发生粘着的可能性