激光-TIG复合熔注制备铝基复合材料及其组织性能研究

论文摘要

本文针对铝及其合金激光熔注工艺过程中铝对激光反射率高、表面存在氧化膜且导热率高等主要问题,开发了激光/TIG复合熔注工艺,并通过优化工艺参数,分别在2219铝合金及1060纯铝表面成功制备了WCp/Al和SiCp/Al的表面复合材料层。综合采用XRD、SEM、EDS等手段,对表面颗粒强化层的微观组织、界面结构及其摩擦磨损性能进行了研究,对性能强化的机理进行了探讨。工艺实验结果表明,所获得熔注层成形良好,内部无气孔和裂纹等缺陷,颗粒在基体中分布比较均匀。熔注层内部的基体显微组织和相结构呈现出复杂的多样性。WCp/Al熔注层为典型的过共晶组织,并且不同位置先共晶相呈现不同的形态,熔池上部主要为含有十字花状、鱼骨状、蝶状先共晶相（W1-xAlx）Cy的过共晶组织,而底部的先共晶相则呈现块状形态;不同部位的颗粒界面结构也呈现不同的形态。SiCp/Al熔注层的显微组织呈现出亚共晶组织结构:内部弥散分布有大量第二相T（Al12Fe3Si）的α（Al） + Al与SiC、Al4SiC4形成的共晶。SiCp/Al熔注层的界面反应也相对简单,界面处形成微小锯齿形结构。性能测试结果表明,纯铝表面熔注层硬度明显增高,而2219铝合金熔注层和热影区则出现了软化的现象。摩擦磨损实验结果表明,纯铝和铝合金表面熔注层的耐磨性能都得到了明显的提高,其中SiCp/Al熔注层摩擦系数最小,磨损量最小,并且对摩擦副的损伤较小,因此SiC更适合作Al表面复合材料层的增强相。同时研究发现,在一定载荷作用下,随着摩擦速度的提高,熔注层的耐磨性降低,磨损量升高;在低速下复合材料的主要磨损形式为犁沟切削,速度提高时出现了氧化磨损,摩擦速度更高时磨损形式主要为磨粒磨损和粘着磨损;在一定摩擦速度下,载荷增加,熔注层的耐磨性降低,磨损量升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 铝基复合材料的研究现状
• 1.3 颗粒增强复合材料的制备
• 1.3.1 整体颗粒增强复合材料的制备
• 1.3.2 表面复合材料层的制备方法
• 1.4 激光熔注技术及其研究现状
• 1.4.1 激光熔注技术的基本原理
• 1.4.2 激光熔注技术的研究现状
• 1.5 课题的主要研究内容
• 第2章 试验材料、设备及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 实验仪器及设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 铝及其合金表面复合材料层制备方法的探索
• 2.3.2 熔注层组织结构分析
• 2.3.3 熔注层性能测试
• 第3章 铝表面复合材料层熔注工艺的探索与研究
• 3.1 激光/TIG 复合熔注工艺的研究
• 3.1.1 送粉方式的确定
• 3.1.2 复合方式的选择
• 3.1.3 送粉载气、TIG 保护气、送粉角及TIG 焊炬倾角选择与匹配
• 3.1.4 送粉率及扫描速率的调试及匹配
• 3.1.5 激光功率与TIG 电流的调试与匹配
• 3.2 纯铝表面WCp/Al 复合材料层的制备
• 3.3 纯铝表面SiCp/Al 复合材料层的制备
• 3.4 本章小结
• 第4章 熔注层显微组织与界面结构
• 4.1 不同位置颗粒的宏观形貌
• 4.2 熔注层的相组成
• 4.2.1 WCp/Al 熔注层的相分析
• 4.2.2 SiCp/Al 熔注层的相分析
• 4.3 熔注层显微组织分析
• 4.3.1 WCp/Al 熔注层的显微组织分析
• 4.3.2 SiC/Al 熔注层的显微组织分析
• 4.4 熔注层颗粒与基体界面结构分析
• 4.4.1 WCp/Al 界面结构分析
• 4.4.2 SiCp/Al 界面结构分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 熔注层摩擦学性能的研究
• 5.1 熔注层显微硬度分析
• 5.2 复合材料层摩擦磨损性能的研究
• 5.2.1 试验系统的建立
• 5.2.2 摩擦系数的测试及结果分析
• 5.2.3 磨损试验结果分析
• 5.2.4 摩擦表面形貌分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的学术论文
• 致谢