纳米Al2O3P/7075铝基复合材料的制备及磨损性能研究

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本文采用高能球磨+热压烧结的方法制备了Al2O3含量分别为0wt.%、3wt.%、5wt.%、 7wt.%和10wt.%的纳米Al2O3p/7075铝基复合材料,并对其显微组织、室温力学性能及室温-200℃摩擦磨损性能进行了系统研究。通过利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对复合粉体显微组织进行观察分析,并通过布氏硬度、电子万能试验机等分析测试设备对块体复合材料力学性能测试分析,确定了复合粉体的最佳球磨工艺和热压烧结工艺。通过等通道挤压(ECAP)技术对块体复合材料性能进一步改善,研究了不同ECAP工艺对热压态7075铝合金和5wt.%Al2O3p/7075铝基复合材料组织和性能的影响,确定了最佳ECAP工艺。对7075铝合金和5wt.%Al2O3p/7075铝基复合材料的室温-200℃磨损性能进行了测试分析,结合摩擦系数、磨损率及磨损形貌,探索其摩擦磨损机制。获得如下主要结论:对纳米Al2O3p/7075铝基复合材料粉体制备工艺探索表明,球磨转速为350r/min,球料比为20:1,球磨20h后复合粉体的形貌趋于等轴状,复合粉体的变形机制冷焊与破碎达到平衡;随着热压烧结温度的升高,5wt.%Al2O3p/7075铝基复合材料的硬度和致密度均呈现先升后降的趋势,在620℃烧结后硬度和致密度达到最大;不同质量分数纳米Al2O3p/7075铝基复合材料在620℃热压烧结后,致密度均达到了90%以上。对不同质量分数纳米Al2O3P/7075铝基复合材料的显微组织研究表明,随着纳米Al2O3颗粒含量的增加,复合材料的晶粒尺寸明显细化,致密度逐渐降低。且当Al2O3含量为5wt.%时,块体复合材料中,增强相分布较为均匀,没有出现明显团聚现象发生;室温力学性能测试结果表明,随着纳米Al2O3颗粒含量的增加,复合材料的延伸率逐渐下降,硬度和抗拉强度呈先增后降趋势,当Al2O3颗粒含量为3wt.%时,复合材料的硬度和抗拉强度最大,分别为205.7HB和297MPa。未加纳米Al2O3颗粒时,球磨后7075铝合金的断裂方式为韧性断裂,加入纳米Al2O3颗粒后,复合材料的断裂方式为解理断裂。对热压态7075铝合金和5wt.%Al2O3P/7075铝基复合材料进行了ECAP变形,研究结果表明,随着ECAP温度的升高,7075铝合金的抗拉强度先升高后降低,伸长率变化趋势相反,ECAP温度为250℃时,7075铝合金综合性能最佳;随着ECAP道次的增加,合金致密度、硬度及室温抗拉强度明显提高,伸长率先降低后提高。5wt.%Al2O3p/7075铝基复合材料在450℃两道次ECAP后,与热压态复合材料相比,纳米A1203颗粒分布更加均匀,且致密度、硬度、抗拉强度及延伸率均得到提升。摩擦磨损性能测试结果表明,5wt.%纳米A1203颗粒的加入显著改善了复合材料的磨损性能,但ECAP变形对复合材料磨损性能的影响较不明显;随着环境温度的提高,7075铝合金和Al2O3p/7075铝基复合材料的摩擦系数和磨损率均呈增大趋势,但复合材料磨损率的增加幅度明显低于7075铝合金,尤其在200℃磨损后,复合材料的磨损率约为7075铝合金的1/10。7075铝合金在室温和100℃的磨损机制为主要以磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损为主,而纳米Al2O3P/7075铝基复合材料的磨损机制则主要为磨粒磨损和氧化磨损;经200℃磨损后,7075铝合金的磨损机制主要为剥层磨损,纳米Al2O3p/7075铝基复合材料的磨损机制为黏着磨损。
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