【摘 要】
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本文针对陶瓷/金属宏观复合材料中存在的陶瓷颗粒难以在基体中分布均匀以及陶瓷与金属之间因润湿性差难以实现界面的良好复合等问题,在液态模锻工艺的基础上,提出了既不做预制体,也不采用“润湿化”处理的方法—“随流混合+高压复合”技术来制备陶瓷颗粒增强金属基宏观复合材料。首先,利用“随流混合+高压复合”法制备了Zr O2增韧Al2O3陶瓷颗粒(ZTA Particle)增强高铬铸铁(High Chromiu
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本文针对陶瓷/金属宏观复合材料中存在的陶瓷颗粒难以在基体中分布均匀以及陶瓷与金属之间因润湿性差难以实现界面的良好复合等问题,在液态模锻工艺的基础上,提出了既不做预制体,也不采用“润湿化”处理的方法—“随流混合+高压复合”技术来制备陶瓷颗粒增强金属基宏观复合材料。首先,利用“随流混合+高压复合”法制备了Zr O2增韧Al2O3陶瓷颗粒(ZTA Particle)增强高铬铸铁(High Chromium Cast Iron)复合材料(ZTAp/HCCI),探讨了压力作用下润湿性较差的陶瓷/金属实现机械啮合的热动力学条件,揭示了机械啮合界面的形成机理。其次,研究了ZTAp/HCCI复合材料的微观组织结构、力学性能、热膨胀性能以及机械啮合界面在加热-保温-冷却过程中的演变情况。之后,采用液锻复合技术在压力下制备了ZTA陶瓷块(ZTA Block)与HCCI的复合材料试样(ZTAb/HCCI),研究了制备压力与陶瓷表面形貌对界面啮合行为的影响规律,建立了啮合强度与工艺参数之间的调控模型。最后,研究了ZTAp/HCCI复合材料在干滑动磨损以及冲击磨粒磨损条件下的磨损失效行为,确定了冲击磨损损失与磨损条件之间的定量相关关系,建立了磨损预报模型。本文得到的主要结果如下:(1)研究了润湿性能差的陶瓷/金属复合体系在压力作用下实现微观尺度上紧密啮合的热动力学条件,包括界面形成所需要做的最小功以及需要的最小外加压力。揭示了压力作用下机械啮合界面的形成机理,包括陶瓷与金属的接触、初步贴合、强化贴合以及完全贴合四个阶段。(2)采用“随流混合+高压复合”方法成功制备了ZTAp/HCCI复合材料试件,其成型完整,表面没有明显缺陷,内部颗粒均匀分布,体积分数可达54 vol%。ZTA与HCCI结合紧密且连续可靠,复合界面为机械啮合界面。冲击断口观察表明,断裂发生在颗粒内部而不是界面脱粘,说明基体和陶瓷之间具有相对较高的结合强度。(3)采用液锻复合技术在压力作用下制备了ZTAb/HCCI复合试样,研究了制备压力和陶瓷表面形貌对啮合强度的影响规律。对于粗糙表面陶瓷(Sa=2.046μm)而言,当制备压力由40 MPa提高到100 MPa时,啮合强度由16.73 MPa增加到了24.91 MPa,增幅为48.9%,说明压力的提高可以显著增加结合强度。在100 MPa的制备压力下,当陶瓷表面粗糙度由Sa=0.616μm增加至2.046μm时,啮合强度由20.87 MPa增加到24.91 MPa,增幅为19.4%,说明陶瓷粗糙程度的增加可以提高结合强度。(4)采用响应面分析法,确定了ZTAb/HCCI界面啮合强度与制备压力、陶瓷形貌以及陶瓷温度之间的定量相关关系,建立了啮合强度调控模型,分析了工艺参数及其交互作用对啮合强度的影响规律。(5)在干滑动磨损条件下,当施加载荷由300 N增加到900 N时,ZTAp/HCCI复合材料相对HCCI的耐磨性从1.84倍提高到2.95倍,表明复合材料在较高载荷下具有更好的耐磨性。在冲击磨粒磨损条件下,当冲击功由1.5 J增加到4.5 J时,ZTAp/HCCI复合材料的磨损体积损失增大,复合材料相对HCCI的耐磨性由2.35倍降低到了1.74倍,说明复合材料的耐磨性随冲击功的增加而降低。(6)采用响应面分析法,确定了ZTAp/HCCI复合材料冲击磨粒磨损损失与磨损参数(冲击功、冲击频率以及磨损时间)之间的定量相关关系,建立了复合材料的磨损预报模型,分析了磨损参数对材料磨损性能的影响规律。
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