论文题目: XD反应合成Al2O3p-TiCp/Al复合材料的热力学及动力学过程的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料加工工程
作者: 寇生中
导师: 许广济
关键词: 原位合成,颗粒增强,铝基复合材料,热力学,动力学,高能球磨,摩擦磨损
文献来源: 兰州理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文选用Al-TiO2-C体系,用XD反应合成工艺制备了Al2O3p-TiCp/Al增强铝基复合材料。用光学显微镜、SEM、TEM、XRD、DTA和DSC等分析手段,系统研究了合金配方、球磨工艺、预处理和烧结工艺对XD合成反应的温度特征和Al2O3p-TiCp/Al复合材料的显微组织的影响,研究了XD合成反应的热力学和动力学过程。 首先,应用热力学的基本定律,分析了Al-TiO2-C体系中可能发生的物理化学反应和形成的增强相,计算了增强相的形成自由焓变化和反应的绝热温度。结果表明,Al-TiO2-C体系的合成反应伴随着剧烈的放热效应,在反应层形成高温冶金微区;当稀释剂铝含量为50wt%,初始反应温度为1173K时,其绝热温度高达2272K;绝热温度随稀释剂含量的增加和初始反应温度的减小而降低:增强相TiC和Al3Ti的生成自由焓变有一个临界温度Ttr,当体系温度高于这一临界温度时,TiC的生成自由焓变低于Al3Ti,有利于TiC的形成,反之有利于Al3Ti的生成;随体系中稀释剂铝含量的增加,临界温度随之升高,而绝热温度降低,不利于TiC的形成。因此,选择适宜的合金成分和足够高的初始反应温度有利于合成Al3O3p-TiCp/Al复合材料。 然后,基于多相反应的宏观动力学理论分析了XD反应的动力学过程,讨论了反应剂的尺寸和高温冶金微区的形成对合成反应的影响。研究表明,固体颗粒完全反应的时间与反应粒子的尺寸呈抛物线关系变化,粒子的尺寸越小,反应完成的时间越短,反应越剧烈;XD反应过程由于剧烈的放热效应在反应区形成高温冶金微区,同时在反应区与未反应区和周围的液态金属之间产生很大的温度梯度;大的温度梯度在未反应固体内部产生热应力,当该热应力大于当时固体反应剂的极限强度时,会导致未反应固体的破裂,由此加速反应进程;同时大温度梯度引起周围熔体的自然对流和热冲击波,强化了反应层附近熔体中的传质,也加快反应的进程。 根据热力学和动力学分析的结果,提出了影响复合材料组织的主要工艺参数为:合金配方、球磨工艺和烧结工艺,并进行了系统的工艺性试验,研究了工艺参数对XD合成反应温度特征和合成的Al2O3-TiC/Al复合材料显微组织的影响。通过工艺试验,确定了一套制备高质量Al2O3-TiC/Al反应自生复合材料的工艺路线和参数: 合金配方:C:TiO2=1,稀释铝50-70wt%: 球磨工艺:球料比10:1,转速200rpm,球磨时间大于4小时; 预紧实压力:130—280MPa; 烧结工艺:670℃/30min+800℃-900℃/30min。 鉴于高能球磨对XD合成反应的过程及自生复合材料的组织性能有很大的影响,本文比较系统地研究了球磨工艺对（Al+TiO2+C）混合粉末的形貌尺寸、元素分布、反应温度特征和复合材料的组织的影响规律。影响复合粉末粒度变化和成分均匀化的因素有球料比、球磨速度
论文目录:
第一章 绪论
1.1 金属基复合材料的性能及应用状况
1.2 颗粒增强金属基复合材料的制备技术进展
1.2.1 Lanxide法
1.2.2 反应喷射沉积法
1.2.3 直接反应法
1.2.4 还原反应法
1.2.5 自蔓延高温合成法(SHS)
1.2.6 放热弥散(XD~(TM))法
1.3 XD原位反应自生颗粒增强金属基复合材料技术的现状
1.3.1 合金成分和烧结工艺对合成反应温度特征和复合材料的性能的影响
1.3.2 高能球磨工艺对XD反应和复合材料组织的影响
1.3.3 原位合成反应的热力学研究
1.3.4 XD合成反应的动力学究究
1.4 XD反应合成复合材料存在的问题
1.5 本课题的主要研究内容及选题意义
第二章 实验用方法及材料
2.1 试验用原材料及工艺流程
2.2 实验设备和方法
2.2.1 体系配方对合成反应和材料组织的影响
2.2.2 高能球磨设备及工艺实验
2.2.3 预紧实工艺研究
2.2.4 预处理和烧结设备和工艺研究
2.2.5 显微组织观察
2.2.6 摩擦磨损试验
第三章 TiO_2-Al-C体系XD合成反应热力学分析
3.1 Al_2O_3-TiC／Al合成反应的热力学分析
3.2 TiO_2-Al-C体系XD反应自由焓变化与相组成
3.3 Al-TiO_2-C体系反应绝热温度的理论计算
3.4 Al-TiO_2-C体系热分析实验研究
3.5 小结
第四章 反应合成Al_2O_3-TiC／Al复合材料的动力学研究
4.1 Al-TiO_2-C体系XD反应过程分析
4.2 Al-TiO_2-C体系XD反应的动力学模型
4.2.1 高温冶金微区对传质过程的影响
4.2.2 高温冶金微区引起未反应核内部的热应力
4.3 小结
第五章 Al_2O_(3p)-TiC_p／Al复合材料XD合成反应的工艺研究
5.1 稀释剂Al含量对Al_2O_(3p)-TiC_p／Al自生复合材料的影响
5.1.1 稀释剂Al含量对反应合成的温度特征的影响
5.1.2 复合材料的显微组织及相组成
5.2 C含量对Al_2O_(3p)-TiC_p／Al自生复合材料显微组织的影响
5.3 预处理对Al_2O_(3p)-TiC_p／Al复合材料的反应温度特征的影响
5.4 预紧实力对Al_2O_(3p)-TiC_p／Al复合材料显微组织的影响
5.4.1 实验结果
5.4.2 讨论
5.5 附加剂对Al-TiO_2-C体系反应的影响
5.6 小结
第六章 高能球磨对反应合成Al_2O_(3p)-TiC_p／Al复合材料的反应温度特征和组织的影响
6.1 高能球磨对复合粉末的形貌的影响
6.2 高能球磨对Al-TiO_2-C复合粉末的颗粒群分布的影响
6.3 能球磨对Al-TiO_2-C复合粉末元素分布的影响
6.4 高能球磨对合成反应温度特征的影响
6.5 球磨工艺对烧结后的复合材料的组织的影响
6.6 小结
第七章 复合材料的组织和摩擦磨损性能
7.1 复合材料的组织
7.2 复合材料摩擦磨损性能研究
7.2.1 载荷对摩擦系数的影响
7.2.2 载荷对耐磨性能的影响
7.2.3 磨面的微观结构分析
7.3 小结
第八章 结论
参考文献
致谢
攻读博士期间发表的论文
发布时间: 2006-08-10
参考文献
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