原位颗粒增强铝基复合材料熔体粘度的研究

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熔体的粘度是液态金属原子迁移的一种表现,是原子间结合力大小的反映。作为结构敏感物理量之一,熔体的粘度与其结构紧密联系。在颗粒增强铝基复合材料中,增强颗粒在铝熔体中分布情况及复合材料熔体在铸造过程中流动性及充型能力都可以由粘度的变化反映出来。研究合金及其基复合材料的粘度变化,可以为获得复合材料生产中抑制增强颗粒的团聚,及细小均匀分布的颗粒增强相和控制颗粒沉降提供理论支持。   采用旋转柱体法系统地对纯铝及铝硅合金在液相线以上不同温度的粘度进行了测定。实验结果表明:随着温度的升高,熔体的粘度都呈减小的趋势;当Si含量增至5%时,熔体的粘度在720~790℃之间存在异常点,粘度减小,可能是熔体结构发生了改变;在较大过热度(△T=100℃或135℃)时,Si含量在不超过7%的条件下,Si含量对Al-Si合金熔体粘度的影响较小;而当Si含量达到9%或11%以上时,Si含量对熔体粘度的影响变大。   在测定铝硅合金粘度的基础上分别对TiB2、Al3Ti颗粒增强铝基复合材料熔体的粘度进行了研究。结果表明:在纯Al及Al-1Si中加入3%TiB2颗粒时,在一定的温度范围(660~730℃和730~775℃)内,铝基复合材料的粘度随着温度的升高而降低,并在730℃时熔体出现不连续变化,粘度突然增大;在775℃以上时,铝基复合材料开始氧化,表现为熔体的粘度开始增大;对于加入3%TiB2的Al-5Si及Al-11Si复合熔体,粘度在715℃时熔体出现不连续变化,粘度突然增大。加入Al3Ti颗粒的粘度与温度变化与TiB2颗粒一致。   对复合材料熔体的粘度与Si含量的关系研究发现,在同一温度下,加入TiB2或Al3Ti颗粒的铝基复合熔体的粘度随着Si含量的增加而减小。对于过热度与粘度的关系,结果表明:随着过热度增大,Al3Ti、TiB2颗粒增强复合材料熔体的粘度减小。对于TiB2颗粒增强复合材料,过热度为△T=50℃时,且Si的含量在5%以下时,随着Si含量的增多,熔体的粘度减小;而Si含量为11%时,粘度增大;在过热度为100℃及135℃时,熔体中的原子活动更加剧烈,随着Si的增大,熔体的粘度减小。加入3%Al3Ti颗粒,复合材料熔体粘度与过热度的关系与加入3%TiB2时,有所差异,△T=50℃时,加入3%Al3Ti的复合材料熔体的粘度是随着Si含量的增加粘度增大;△T=100℃或135℃时,复合材料熔体的粘度随着Si含量的增加缓慢减小。   结合Arrhenius粘度模型对Al-Si合金熔体的粘度进行了拟合,过热度低于100℃时,熔体拟合较好。当△T>100℃时,对于Al-7Si、Al-9Si、Al-11Si合金的熔体,拟合误差较大,可能是熔体的结构发生了改变。其他合金都拟合较好;结合拟合结果与Arrhenius模型,随着温度的升高,粘度与粘滞激活能均降低。
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