新型AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的复合过程原理研究

There are some special properties for AlCuFe quasicrystalline, such as high hardness, low friction coefficient, low thermal expansion coefficient, high wear resistance, and low thermal conductivity. The Osprey technology has the characters of rapid solidification, trends solid and tiny grain. These two active factors are utilized effectively in the duty of this subject. The Co-Osprey technology will be applied to prepare Al matrix composites reinforced by AlCuFe quasicrystalline particle. In this process, AlCuFe quasicrystalline particle can be put in atomize cone and the reaction between the particle and molt matrix can be avoided or reduced. Thus, Al matrix composites with outstanding properties of quasicrystalline particle well-distributed, tiny matrix alloy grain, particle and matrix alloy well-combined can be prepared. The theory of interface reaction between particle and matrix should be studied deeply in the condition of low temperature, short time and liquid drip well-distributed. It is different from the condition of complete liquid. The effects of technological parameter in the process of co-osprey on composites organization and properties should be studied deeply. The thermal expansion coefficient of this composite would much lower than matrix alloy, and it must be used in the area of aviation and aerospace because of its high size stability. Moreover, this composite can be recycled by re-molt. The study results of this subject will provide theory foundation on the factual application of this novel materials.

该课题充分利用铝铜铁准晶高的硬度、低的摩擦系数、低膨胀系数和耐蚀、耐热、耐磨等特性以及新型的喷射成形技术的快速冷却凝固、动态致密化、晶粒细小等特点，采用喷射共沉积的方法，将准晶颗粒从雾化锥中加入，避免或减缓了准晶颗粒与基体熔融金属之间的反应，从而制备出铝铜铁准晶颗粒弥散均匀分布、基体合金晶粒细小、增强粒子与基体结合良好，性能优异的准晶颗粒增强的铝基复合材料；研究喷射共沉积过程中准晶颗粒与基体金属的界面反应机理，特别是在温度较低、时间短的过程中，液滴充分分散不同于全液相情形下的反应行为；研究喷射共沉积各工艺参数对复合材料的组织与性能的影响以及准晶颗粒对基体材料的强化机理。这种复合材料的热膨胀性明显低于基体材料，具有高尺寸稳定性，必将在航空和航天领域得到广泛的应用，而且可回收再利用。本课题的研究将为该类材料进入实质性的应用打下理论基础。

该课题采用铸造加机械球磨的方法制备了Al63Cu25Fe12准晶颗粒，研究了铸造Al63Cu25Fe12稳定准晶材料及其热处理过程中的相转变；采用喷射成形过程中过喷粉末作为基体金属与Al63Cu25Fe12准晶颗粒混合后通过冷压、热压和热挤压的工艺制备了不同质量分数的Al63Cu25Fe12准晶颗粒/铝基（7075、7055）复合材料，并研究了复合材料基体与Al63Cu25Fe12准晶颗粒的界面结合情形，研究了不同质量分数的Al63Cu25Fe12准晶颗粒对复合材料组织与性能的影响；研究Al63Cu25Fe12准晶颗粒/铝基（7075、7055）复合材料的尺寸稳定性和耐磨性。.结果表明：（1）铸造Al63Cu25Fe12颗粒中除准晶I相外，还存在β(τ)相、λ相和ω相等类似相。在经过真空热处理后，铸态Al63Cu25Fe12准晶颗粒中的β(τ)相和其他相减少，准晶I相含量增加；尤其是经过950℃，6小时热处理以后，β相和λ相等类似相明显减少，组成趋向于单一的稳定准晶相:（2）采用喷射成形的过喷7075/7055粉末（粒度为-200目）与准晶颗粒（粒度为-200目）充分混合均匀后进行冷压、热压、热挤压得到的复合材料中，作为第二相的Al63Cu25Fe12准晶颗粒分布均匀，而且通过冷压后基体金属粉末中的气体得到有效排除，晶粒细小，没有晶界的粗大析出物，晶界清晰；（3）通过扫描电镜SEM结合能谱分析（EDX），对复合材料中基体金属与准晶颗粒之间的界面和界面附近的成分和相进行了分析，发现第二相与基体金属之间的界面反应情形非常轻微，界面结合良好。在此过程中，因复合时温度比较低（热挤压温度为420℃）避免或减缓了准晶颗粒与基体金属之间的反应，避免了以前的研究中复合过程中有液相基体金属参与时形成的有害金属间化合物CuAl2的产生；（4）不同的质量分数对复合材料的性能具有一定的影响，在Al63Cu25Fe12准晶颗粒/铝基（7075、7055）两种复合材料中，质量分数为12%Al63Cu25Fe12准晶颗粒的复合材料具有更好的力学性能；（5）通过磨损实验结果在同样实验条件下复合材料的耐磨率在比较长的时间内基本保持不变，而基体材料的磨损率随磨损时间的增加而增加，，因此，Al63Cu25Fe12准晶颗粒/铝基（7075、7055）复合材料具有良好的耐磨性能。