原位合成TiC/AZ91D镁基复合材料的摩擦磨损性能研究绪论

郭庆贺

绪论

1.1镁合金概况

作为轻金属代表——镁，不仅在地球上储量高，在地壳中相对于其他金属而言，也比较丰富占了2.35%（见表1.1），在海洋中也占较为丰富，可以说在自然界中广泛存在。作为镁资源大国，镁的储存量位于世界首位，占全球的40%以上，其中80%的原镁主要用于出口。镁合金中包含了许多元素，如表1.2，但镁合金是我们在日常生活中随处可见金属结构材料质量最轻的，密度比纯镁（1.738g/cm3）高一点点，大概是铝合金密度的2/3，钢铁密度的1/4，其较高的刚度、比弹性模量高、屏蔽电磁能力强、所成型的零件的尺寸更加稳定、散热能力强可以稳定在一定温度内、再生性以及切削加工性能好、利于二次回收利用、在与其他金属接触时合金表面基本上不会产生火花等特点，使镁合金在众多金属合金中的名列前茅，是继钢和铝之后的金属工程材料，大家都亲切地称镁合金是“21世纪的绿色金属结构环保材料”。在当前能源短缺，污染严重的情况下，镁合金未来发展的前景可见一斑。当前，镁合金的应用已逐渐扩展到航空航天，3c，汽车工业，军事领域中。对镁合金进行深入研究也成为了我国可持续发展的重要措施。正所谓“人无完人，金无赤足”，镁合金材料亦是如此，它仍然有一些缺点和不足等待着人们去研究和改善。作为一种软金属，它最为突出的就是较低的硬度和机械性能，限制了其在工程领域内的应用。镁合金的耐高温性也很差，在室温下容易氧化生成一层薄膜，薄膜不像铝合金的表面氧化生成的薄膜一样坚实紧密，反而有较多疏松的孔且脆性较大，因此其抵抗腐蚀能力也不好，在高温度下抗蠕变性能也比较差。

1.2镁合金分类

变形镁合金由轧制、挤压等塑性变形所制备，主要有Mg-Mn系、Mg-Zn-Zr系和Mg-Al-Zn-Mn系合金。其中Mg-Mn系合金耐腐蚀，焊接性好，但工作温度不超过150℃;Mg-Zn-Zr系合金焊接性能较为优异;Mg-Al-Zn-Mn系合金具有优异的机械性能和可焊性。跟铝合金相比，镁合金的种类并不算多，通常加入Al、Zn、Ga等表面活性元素来丰富合金种类。变形镁合金晶粒尺寸较小，有良好的力学性能。铸造镁合金由砂模铸造、金属模铸造、熔模铸造制备，主要有Mg-Al系和Mg-RE系合金，铸造镁合金具有铸造结构优异、加工周期短、装配成本低、适用于大批量生产等特点。

1.3镁合金加工工艺

1.3.1粉末冶金法

粉末冶金法（Powder Metallurgy）是将原材料粉末按照一定比例混合均匀，在特定温度压强条件下烧结成形，得到具有优异性能合金材料，此方法最早应用于金属基复合材料的制备。粉末冶金法特点有：①产品精度高、尺寸稳定、成本低、不需要二次加工;②可大批量生产，易形成自动化生产线;③可生产结构复杂的材料，可避免脱模困难等问题。镁具有密排六方的晶体结构，晶粒尺寸直接影响其性能好坏，因此，制备细晶粒镁合金可以大大提高镁合金的性能。陈春朴通过粉末冶金法制备ZK60镁合金，发现随着Y含量的增加，ZK60镁合金的高温塑性也随之提高。周亚军等人通过粉末冶金法制备AZ91镁合金，并探究烧结温度对该合金微观组织和综合性能的影响，其最佳烧结温度为550℃，真空热压烧结后AZ91镁合金材料的致密度显著提高，其组织主要真空热压烧结后AZ91镁合金材料的致密度显著提高，其组织主要由α-Mg相和β-Mg17Al12相组成，大大提高了镁合金的性能。

1.3.2快速凝固

快速凝固法（Rapid Solidification，RS）是材料科学领域具有突出地位的一种先进金属材料制备新技术，通过该技术得到的材料具有超细晶粒度、低偏析度和良好穩定性等，并且溶质元素在基体中的固溶极限相对较大，成分相对均匀。快速凝固技术制备原理是将合金熔化并细化为分散的液滴，使得液体合金更易于散热，提高熔体的凝固速度，从而达到细化凝固组织，减少或消除成分偏析的目的。快速凝固技术可实现材料组织结构精细化，非晶态结构分布均匀化。作为一种新型的合金制备技术，其冷却速率范围为104～109K/s，它不局限于在平衡条件下凝固，在不平衡甚至在极端不平衡的条件下也可以凝固。一些微观组织（不能通过常规凝固方法获得的）可以通过这种方法获得。

1.3.3挤压成形技术

低塑性镁合金想要完成塑性成型最理想的处理方法就是利用挤压成形技术。而影响镁合金挤压速度的则是挤压坯料的晶粒度和组织均匀性，因而获得小晶粒度组织均匀的镁合金坯料是挤压成形的关键。朱亚哲等人研究表明镁合金在250℃以上成形时塑性效果更好，当模具预热温度比坯料预热温度低时，可以利用润滑剂来减少镁合金与冷模之间接触时所产生的裂纹，并且起到隔热的效果，从而提高模具的寿命。挤压成型方法易于操作并且十分灵活，最适合于低塑性材料的塑性成形镁合金可以通过挤压更好地细化晶粒并提高强度和可塑性。而且镁合金挤压制品一般都具有较好的表面质量和精准的尺寸。挤压变形是当今镁合金加工中最应用最为广泛的一种工艺技术。

1.4研究内容

论文基于镁合金的研究进展，查阅了大量的国内外相关文献，选择作AZ91D镁合金为实验研究对象，研究原位合成TiC/AZ91D镁基复合材料的摩擦磨损性能研究。主要研究内容如下：

（1）将C粉、Ti粉、Al粉，按Ti和C的摩尔比1：1进行混合，Al粉含量固定Ti粉和C粉总量的20%，随后分成质量相同的3份，向第一份预制块/镁合金为10%，第二份预制块/镁合金为20%，第三份预制块/镁合金为30%，然后将分别压成预制块，放入150℃的干燥箱中进行干燥1.5h。

（2）分别将预制块与AZ91D镁合金按10%、20%、30%（预制块/AZ91D镁合金）进行称量，随后分别将预制块放入坩埚底部，另外再将AZ91D镁合金放入坩埚上部，表面覆盖一层RJ-2覆盖剂，先将温度升高到300℃保温30min，随后将温度升高到780℃，然后把得到的熔体降温到560℃进行半固态状态反复搅拌约5～10min，等到搅拌均匀后，保温10min左右，最后浇注成型。

（3）对经过打磨、表面抛光等一系列处理后的合金试样依次进行金相显微镜对其微观结构分析;XRD分析;摩擦系数、磨损量、摩擦形貌分析以及硬度分析，最终确定原位合成TiC/AZ91D镁基复合材料中温度以及Al粉含量对硬度、摩擦磨损性能的影响规律。

参考文献：

[1]陈振华等编著.镁合金[M].北京：化学工业出版社，2004

[2]李昀昊.镁合金材料的应用现状及发展趋势研究[J].世界有色金属，2019（12）

[3]李芳，管仁国，铁镝，刘楚明，乐启炽，宋江凤，曾小勤，蒋斌.我国先进镁合金材料产业2035发展战略研究[J].中国工程科学，2020，22（05）

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