氩弧熔化制备高TiC含量增强Al基复合材料的研究

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为了获得高陶瓷相含量的Al基复合材料,在石墨坩埚中采用氩弧熔化TiC、Al、Ti和石墨粉末压块的方法制备了高TiC含量(≥50wt.%)增强的Al基复合材料,运用DSC、XRD、OM、SEM和EDAX等分析手段,研究了有外加TiC时Al-Ti-C体系反应的热力学和动力学,分析了内生TiC颗粒的形成机制和外加TiC的作用,并测试了硬度和耐磨性,探讨了高TiC含量的Al基复合材料组织性能的影响因素及制备过程中存在的问题与对策。通过研究发现,在氩弧熔化制备高TiC含量增强Al基复合材料过程中,原位生成TiC的反应过程是极其复杂的。TiC主要由Al3Ti与溶解在Al液中的碳原子反应生成,或者由Al4C3与溶解在Al液中的钛原子反应而生成。当温度超过1300℃左右时,中间产物Al4C3、Al3Ti完全消失。试验结果表明,有外加TiC的试样,基体中存在原位生成的TiC小颗粒和外加TiC大颗粒的共同作用;而没有外加TiC的试样,基体中TiC颗粒大小及分布较均匀,但颗粒尺寸较有外加TiC试样中原位生成的TiC颗粒要大。通过分析可知,外加的TiC对Al-Ti-C体系剧烈的放热反应起到一定的抑制作用,并对内生TiC颗粒的过分长大、破碎有很大的改善作用。在制备工艺参数选择方面,氩弧电流最适宜在150A,氩弧持续时间最适宜为20s,在此参数时,反应较完全,TiC颗粒尺寸较适中。而在同样大小的电流下,交流相对直流正接来说,试样在整个过程中获得的总热量要小,试样中Al-Ti-C体系的反应过程及TiC颗粒的长大过程要滞后一些。另外,氩弧熔化制备的高TiC含量增强Al基复合材料克服了以往低TiC含量(≤wt.30%)增强Al基复合材料中含有Al3Ti、Al4C3等中间产物难以反应完全的缺点,硬度和耐磨性大大提高。60wt.%TiCp/Al复合材料(30%外加TiC)的硬度较L1060铝合金提高了7倍左右,较20%TiCp/Al复合材料提高了4倍左右;耐磨料磨损性能较L1060铝合金提高了4倍左右,较20%TiCp/Al复合材料提高了2倍左右。
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