原位纳米TiC颗粒对Al-Si基复合材料组织演化和力学性能的影响规律及作用机制

Nano-sized particle reinforced metal matrix composites possess high strength, high specific modulus, high wear resistance and other excellent properties, so they have been widely applied in many fields, such as military, aerospace, automotive, machinery, electronic, and so on. Hence, the research on the nano-sized ceramic particle reinforced metal matrix composites is one of the cutting-edge issues in the field of metal matrix composites. However, the reposts on the in situ nano-sized TiC particles on Al-Si matrix alloy are limited. Therefore, this project will use in situ method to manufacture nano-sized TiC particle reinforced Al-Si matrix composite. We intend to made breakthroughs in the new important scientific issues through microstructure observation and mechanics test, as follow: reveal the dispersion law of nano-sized TiC particles in Al-Si matrix; reveal the influence law of nano-sized TiC particles on microstructures of α-Al dendrites in Al-Si alloy; reveal the metamorphic mechanism of eutectic Si phase; reveal the effect mechanism of microstructures on the mechanism properties of the composites . This investigation goal will provide the significant experiment data and theoretical reference for active control on microstructures, properties and manufacture methods and develop excellent properties of nano-sized TiC particle reinforced Al-Si matrix composites.

纳米颗粒增强金属基复合材料具有高强度、高比弹性模量、耐磨损等优点，在军事、航空航天、汽车、机械、电子等领域具有广泛的应用前景。因此，纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料的研究是金属基复合材料领域的前沿与热点问题之一。但少见关于原位纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料的报道。因此，本项目采用原位反应法制备纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料，通过对复合材料微观组织和力学性能的观察测试，拟在以下几个新的重要科学问题上取得突破：揭示原位纳米TiC颗粒在Al-Si基体合金中的分散动力学机制；纳米TiC颗粒对Al-Si合金α-Al枝晶影响规律；纳米TiC颗粒对共晶硅的变质机制；复合材料的微观组织对力学的影响规律与作用机制。上述研究目标的实现将对纳米TiC陶瓷颗粒增强Al-Si基复合材料的组织、性能及制备工艺的主动控制，发展优异性能的纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料提供重要的实验依据与理论参考。

纳米颗粒增强铝基复合材料具有优异的力学性能。目前，制备纳米颗粒增强铝基复合材料常用的方法是外加法，其难点是纳米颗粒易团聚、表面易污染、与基体结合不好等。原位法可以解决外加发的特点，但目前关于原位纳米颗粒对铝合金微观组织和力学性能的影响规律及作用机制尚不明确。因此，研究上述问题将发展先进纳米颗粒增强铝基复合材料提供实验依据和理论参考。.本项目取得的主要进展如下：①采用原位法制备了纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料，0.5 wt.%纳米TiC颗粒增强A356铝基复合材料常温拉伸性能最好，与基体合金相比，抗拉强度和延伸率分别从226 MPa和5%提高到275 MPa和7.4%。当载荷为10 N、20 N和30 N时，抗磨损性能分别提高了68%、71%和69%。1.0 wt.%纳米TiC颗粒增强ADC12铝基复合材料力学性能最好，与基体合金相比，硬度从60HV提高到80HV，屈服强度和抗拉强度和延伸率分别从154MPa、195MPa和11.47提高到185MPa、246MPa和11.81%。当载荷为10N、20N和30N时，抗磨损性能分别提高了56%、56%和29%。②揭示出纳米TiC颗粒增强Al-Si基复合材料强韧化机制为细晶强化和共晶硅强化。③采用原位法制备了纳米TiC颗粒增强7085铝基复合材料，纳米TiC颗粒在再结晶过程中阻碍晶界运动，抑制再结晶，0.5 wt.%纳米TiC颗粒增强7085铝基复合材料具有最好的常温拉伸性能，抗拉强度和延伸率分别为608 MPa和10.5%，与基体合金相比，分别提高了16%和13%。④采用搅拌摩擦加工了纳米TiC颗粒增强7085铝基复合材料，纳米TiC颗粒均匀分布在晶内，阻碍晶界运动。经1000 rpm搅拌摩擦加工后，复合材料力学性能最好，抗拉强度和延伸率分别为429 MPa和17.8%，比基体合金分别提高了19%和408%。