颗粒增强铝基梯度复合材料摩擦磨损性能的研究

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本论文结合863计划项目“铝基梯度复合材料的制备技术及其在制动部件中的应用研究”,研究SiC颗粒增强铝基梯度复合材料的制备过程和摩擦磨损特性,为研究和拓展颗粒增强铝基复合材料的应用提供参考。研究采用Al-Si系合金作为基体,SiC颗粒作为复合材料的增强相,采用新型喷射沉积装置,制备了SiCp/Al-7Si,SiCp/Al-17Si,SiCp/Al-20Si,SiCp/Al-20Si3Cu和SiCp/Al-20Si4.5Cu五种梯度复合材料,并对沉积锭坯进行热压致密化,以改善材料的各种性能,材料中SiC颗粒的质量分数在0%-30%之间连续梯度分布。采用MG-2000型高速高温摩擦磨损试验机,对比研究了不同硅含量和不同铜含量的梯度复合材料在不同外加载荷和滑动转速下沉积与热压坯件的室温摩擦磨损性能;在此基础上研究了SiCp/Al-17Si和SiCp/Al-20Si3Cu梯度复合材料在不同环境温度（50℃、100℃、150℃、200℃）下的磨损性能;并通过扫描电子显微镜研究了梯度复合材料的表面及次表面的磨损形貌。通过系统的试验研究得到如下结论:（1）采用新型喷射沉积技术所制备的梯度复合材料中,SiC颗粒的分布沿锭坯轴向从底部到顶部逐渐增多,呈梯度分布;沉积坯锭经过热压致密化后,硬度和耐磨性都有所上升。随着SiC颗粒含量的逐渐增加,材料的硬度也逐渐增大,梯度变化明显。（2）室温条件下,所制备的梯度复合材料的摩擦系数都不同程度的随转速和载荷的增大而减小,在同一载荷和转速下,材料的摩擦系数随SiC含量的梯度变化不太明显;摩擦系数与SiC颗粒和基体的结合强度相关,表明热压材料的摩擦系数一般都比沉积材料的高;硅含量对材料摩擦系数的影响不是太明显,而铜的添加使得材料的硬度和摩擦系数都有所提高。（3）室温条件下,外加载荷和转速对材料磨损率的影响都比较显著,存在明显的从轻微磨损向严重磨损转变的临界转变值;各复合材料的磨损率在同一转速和载荷情况下都会随SiC含量的逐渐增多而依次减小,与SiC颗粒的含量变化一致。不同基体硅含量的材料相比,当硅含量为17wt%,铜含量为0wt%时,该梯度复合材料不管沉积态还是热压态,磨损率都是最小的;不同基体铜含量的材料相比,当硅含量为20wt%,铜含量为3wt%时,该梯度复合材料的磨损性能是最好的。（4）环境温度对SiCp/Al-17Si和SiCp/Al-20Si3Cu两种梯度复合材料耐磨性能的影响比较相似,实验温度从50℃200℃,两种梯度复合材料的摩擦系数都随温度的增加先降低后增大,且两种材料摩擦系数的转变都是在温度150℃的情况下,SiC含量的梯度变化对材料的摩擦系数影响不太明显。两种梯度复合材料的磨损率随温度的增加先增大后减小,最后又增大,在温度150℃时,两种材料的磨损率都出现突增,都存在着明显的从轻微磨损到严重磨损的转变。两种梯度复合材料的磨损率与SiC颗粒的梯度含量相关,随着SiC含量的增加材料的磨损率相应降低,梯度变化非常明显。（5）室温条件下,梯度复合材料的磨损过程可以分为三个阶段:首先是轻微磨损,此阶段主要以磨粒磨损为主;其次是机械混合层（MML）的形成,这一阶段由于混合层的保护,材料的磨损率有所降低,主要以粘着磨损为主,伴随有轻微的氧化磨损;最后是机械混合层的剥落期,此阶段磨损率出现突增,主要以剥层磨损为主。高温条件下,磨损形式与室温相似,但是材料发生严重磨损的转变值有所提前,在前期主要是磨粒磨损和粘着磨损共同作用,后期以氧化磨损和剥层磨损为主。经过一段时间的摩擦实验后,不同材料次表面形成的机械混合层特征都不同,随着温度的升高,次表面的厚度也增加,对次表面的混合层进行线扫描发现随着扫描距离的增加,外渗元素的含量都慢慢减少。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 梯度复合材料概述

1.1.1 梯度复合材料的主要制备方法

1.1.2 梯度复合材料的应用现状

1.2 梯度复合材料的摩擦磨损性能及研究现状

1.2.1 摩擦磨损概述

1.2.2 滑动摩擦涉及的主要磨损理论

1.2.3 梯度复合材料摩擦磨损性能的研究现状

1.3 研究背景与意义

1.4 本论文的主要研究内容

第二章材料制备及测试方法

2.1 引言

2.2 实验所用原材料及其制备工艺

2.2.1 颗粒增强相的选择

2.2.2 基体成分的选择

2.2.3 喷射沉积制备工艺

2.3.4 热压致密化

2.3 梯度复合材料摩擦性能的测试方法

2.3.1 梯度复合材料的组织及性能测试

2.3.2 摩擦磨损性能测试

第三章基体硅含量对铝基梯度复合材料室温摩擦磨损性能的影响

3.1 引言

3.2 SiCp/Al-7Si 梯度复合材料

3.2.1 SiCp/Al-7Si 梯度复合材料的组织与性能

3.2.2 SiCp/Al-7Si 梯度复合材料的磨损性能

3.2.3 磨损表面及次表面形貌分析

3.3 SiCp/Al-17Si 梯度复合材料

3.3.1 SiCp/Al-17Si 梯度复合材料的组织与性能

3.3.2 SiCp/Al-17Si 梯度复合材料的磨损性能

3.3.3 磨损表面及次表面形貌分析

3.4 SiCp/Al-20Si 梯度复合材料

3.4.1 SiCp/Al-20Si 梯度复合材料的组织与性能

3.4.2 SiCp/Al-20Si 梯度复合材料的磨损性能

3.4.3 磨损表面形貌及次表面形貌分析

3.5 基体硅含量对梯度复合材料磨损性能的影响

3.6 小结

第四章基体铜含量对铝基梯度复合材料室温摩擦磨损性能的影响

4.1 引言

4.2 SiCp/Al-20Si3Cu 梯度复合材料

4.2.1 SiCp/Al-20Si3Cu 梯度复合材料的组织与性能

4.2.2 SiCp/Al-20Si3Cu 梯度复合材料的磨损性能

4.2.3 磨损表面及次表面形貌分析

4.3 SiCp/Al-20Si4.5Cu 梯度复合材料

4.3.1 SiCp/Al-20Si4.5Cu 梯度复合材料的组织与性能

4.3.2 SiCp/Al-20Si4.5Cu 梯度复合材料的磨损性能

4.3.3 磨损表面及次表面形貌分析

4.4 基体铜含量对梯度复合材料磨损性能的影响

4.5 室温磨损机理探讨

4.6 小结

第五章环境温度对铝基梯度复合材料摩擦磨损性能的影响

5.1 引言

5.2 温度对SiCp/Al-17Si 梯度复合材料磨损性能的影响

5.2.1 温度对材料摩擦系数的影响

5.2.2 温度对材料磨损率的影响

5.2.3 温度对材料表面及次表面形貌的影响

5.3 温度对SiCp/Al-20Si3Cu 梯度复合材料磨损性能的影响

5.3.1 温度对材料摩擦系数的影响

5.3.2 温度对材料磨损率的影响

5.3.3 温度对材料表面及次表面形貌的影响

5.4 高温磨损机理探讨

5.5 小结

结论

参考文献

致谢

附录A （攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）

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