基于合金元素活化预制坯的Al2O3p/钢复合材料的挤压铸造和界面研究

To solve the problems of infiltration and low strength of interface bonding for alumina particles reinforced steel matrix composites, the project proposes to fabricate the composites and improve the Al2O3p/steel interface bonding strength by an activated pressure infiltration technology, in which the alumina particle preform activated by alloying elements such as Cr, Si, Ti, Zr, is infiltrated by steel melt through squeeze casting technique, aided by using a low heat conductivity die. The research focuses on: the influence of the heat conductivity of the die and the pressure and their coordination on the temperature field of the die-steel melt-preform system and the melt holding time of the steel melt; the variation and its mechanism of Al2O3p-steel melt interface wettability, Al2O3p/steel interface bonding strength, the infiltration depth model and the mechanical properties of the composites, under the combination of activated alloying elements in the preform, the temperature of steel melt and the squeeze pressure. The research of the project will develop theory of infiltration technology and interface bonding strength control for the Al2O3p/steel composites, also set lights on other ceramic particles reinforced high melting temperature metal matrix composites.

为了解决Al2O3p/钢复合材料铸渗困难和界面结合强度不高的问题，基于对Ti活化无压浸渗技术的分析，项目提出研究基于合金元素活化预制坯和低导热模具的Al2O3p/钢复合材料挤压铸造技术。主要研究模具的导热特性和挤压力对浸渗体系温度场、钢液浸渗时间的影响规律及其协同性；研究挤压力、钢液高温、预制坯活化合金元素联合作用下，钢-Al2O3p润湿性和界面结合强度变化规律和机制，复合材料浸渗深度及其模型，以及复合材料力学性能变化规律。其中，将采用高温差热分析(DSC)等方法，模拟研究钢液、Al2O3p和活化元素之间的化学作用；采用Al2O3板与钢液的挤压铸造和剪切试验，模拟研究钢/Al2O3p的界面结合强度。项目能够发展高熔点金属基复合材料的铸渗理论、以及Al2O3p/钢铁复合材料界面控制理论，为高性能、低成本Al2O3p/钢铁复合材料的挤压铸造技术奠定理论基础。

为了解决Al2O3颗粒(p)/钢复合材料铸渗困难，本项目在挤压铸造模具和压头上涂覆保温涂层。研究了涂层厚度、挤压力及预制坯预热温度对浸渗系统温度场和钢液冷却速率的影响规律，发现了挤压力造成浸渍界面钢液温度突降的现象，而预制坯预热温度升高，能够有效减小这种温度降；研究了挤压力、预制坯预热温度及钢液浇注温度对复合材料浸渗厚度的影响。. 进一步在Al2O3p预制坯中分别加入了Ti、Si、Cr、TiO2、ZrO2等活性物质。研究了各元素(物质)的活化机制和复合材料硬度、三点弯曲强度等力学性能。发现Ti、TiO2等在Al2O3表面生成了微米级的界面过渡层，改善了钢-Al2O3界面的润湿性能；而Si、Cr等则溶解于钢基体中，也提高了钢-Al2O3界面的润湿性能和结合强度。所以，活化物质基本都造成了复合材料硬度和强度的升高。例如，在预制体中添加Al2O3质量15%的Ti，Al2O3p/65钢复合材料的硬度和弯曲强度分别较未添加Ti的提高了18%和73%。. 研究了不同含量活性物质对复合材料浸渗深度的影响。以Si为例，随Si含量在5%~25%间升高，钢-Al2O3界面接触角逐渐下降，浸渗深度增加，最高超过16mm。并建立了预制坯活化合金元素、钢液高温、挤压力联合作用下，复合材料浸渗深度模型。. 项目还研究了Si、Cr加入量对复合材料的力学性能、耐磨性影响规律，发现其对复合材料整体性能的影响较为复杂。例如：Si尽管提高了界面结合，但却使基体软化，所以，随着Si含量的增加，复合材料的磨损体积先减小后增大，在10%Si时达到最优。在Al2O3p/Q235钢复合材料中，随着Cr含量升高，基体硬度略有下降，但由于界面结合的改善，复合材料的磨损量却降低。. 项目发现Al2O3p/钢复合材料的高温性能同时取决于Al2O3p和钢基体。由于在高温下，钢-Al2O3界面生成较厚氧化铁层，因而40Cr基复合材料抗热震性能差；而当基体为耐热钢时，其抗热震性能大大提升，比W18Cr4V高速钢、YG10硬质合金都好；由于Al2O3p的增强，耐热钢基复合材料的高温耐磨性是钢基体的3.4倍。.项目发展了高熔点金属基复合材料的铸渗理论、为Al2O3p/钢铁复合材料界面控制提出了新的方法，为高性能、低成本Al2O3p/钢复合材料的挤压铸造奠定了理论基础。