Al3Ti顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備及性能研究①

繆亞國， 陳　剛， 程卓剛

(1.江陰市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇 江陰　214434； 2.江蘇大學(xué)材料與工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

?

Al3Ti顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備及性能研究①

繆亞國1， 陳剛2， 程卓剛1

(1.江陰市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇 江陰214434； 2.江蘇大學(xué)材料與工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江212013)

以鋁屑和鋁合金A356為原材料，通過熔體反應(yīng)法成功制備了原位顆粒增強鋁基復(fù)合材料。用掃描電子顯微鏡(SEM)，觀察和分析了鋁屑重熔組織和拉伸斷口形貌，并利用電子萬能試驗機對復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了測試。研究結(jié)果表明，在精煉劑和超聲聯(lián)合作用下，鋁基復(fù)合材料的組織和力學(xué)性能最佳。

鋁基復(fù)合材料； Al3Ti； 制備； 性能

引　言

就目前國內(nèi)鋁屑回收技術(shù)發(fā)展情況來看，大多數(shù)廠家都是采用重熔的方法回收鋁屑，回收率普遍偏低，且回收得到的合金質(zhì)量不穩(wěn)定[1]。在鋁屑重熔過程中，通常通過壓制鋁屑預(yù)制塊與精煉相結(jié)合的方法，旨在提高鋁屑回收率的同時穩(wěn)定鋁合金的質(zhì)量[2]。

顆粒增強鋁基復(fù)合材料是以鋁或鋁合金為基體，與顆粒增強體復(fù)合而成的一種新型材料，其性能主要取決于鋁合金的性能，以及增強體的特性、含量、分布、界面狀態(tài)等[3-5]。由于在基體中加入了高強度、高模量的陶瓷顆粒，因此顆粒增強鋁基復(fù)合材料一般具有很高的耐磨性、耐疲勞性、高溫穩(wěn)定性、高比強度和比模量[6-7]。目前，顆粒增強鋁基復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造、電子電氣、航空航天等領(lǐng)域，是鋁合金、鈦合金、鋼等材料的理想替代或者部分替代材料[8-9]。

1　實驗部分

1.1材料與試劑

A356鋁合金錠，鋁屑、K2TiF6粉末、Mg塊、六氯乙烷精煉劑等。

1.2實驗設(shè)備

試驗所用設(shè)備為：坩堝電阻爐、金屬模具、鐘罩、天平、攪拌器、便攜式測溫儀、超聲發(fā)生裝置、拋光機、掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜儀、萬能材料試驗機等。

1.3制備工藝

1.3.1鋁屑預(yù)處理

在鋁合金工件加工過程中，回收得到的鋁屑難免混入鐵屑、塵土、塑料、木屑和水分等，這些雜質(zhì)如果不能在熔煉前進行徹底清除，將會對熔體的質(zhì)量造成很大影響，其中影響最大的是鐵屑和水。

(1)鐵屑的去除方法。在熔煉過程中鐵屑會擴散進入熔體，形成貫穿晶粒的針狀脆性富鐵相，嚴重割裂材料的均一連續(xù)性，因此需要對廢鋁料進行預(yù)處理分選。去除鋁屑中的鐵屑一般選用經(jīng)濟有效的磁選法，將廢鋁屑放到干凈的木板上，平攤鋪好，手拿磁體在鋁屑表面緩慢移動，同時將可見的非金屬雜質(zhì)挑選出來，經(jīng)過磁鐵的反復(fù)移動會將鋁屑中的鐵屑、鐵粉等除去。當磁鐵表面不再有鐵粉吸附時，說明廢鋁屑中的鋼鐵雜質(zhì)已被除盡。

(2)水分和油污的去除方法。水分和油污沸點較低，可采用烘干法予以清除。將鋁屑均勻地放在烘干爐中，在200 ℃下，烘干1 h即可。

(3)預(yù)制塊的壓制。鋁屑在未經(jīng)壓制的情況下直接用于重熔會造成嚴重的燒損，這樣會大大降低鋁屑的回收利用率。本文所用鋁屑壓塊采用60 MPa壓力，保壓時間60 s所得。

1.3.2鋁屑熔煉

將600 g的A356鋁合金錠放入石墨粘土坩堝中，置于 5 kW的井式電阻爐中進行熔煉。待熔體溫度達到750 ℃后，加入質(zhì)量分數(shù)為1%的Mg塊，攪拌均勻后分批用鐘罩壓入300 g經(jīng)過充分預(yù)熱的A356鋁合金切屑預(yù)制塊，以防止鋁屑在高溫下進一步氧化燒損。待鋁屑完全熔化后，對熔體分別進行以下處理，以作參照試驗：

(1)靜置10 min后，于730 ℃澆入金屬模具中；

(2)加入質(zhì)量分數(shù)為0.3%的精煉劑，10 min后，于730 ℃澆入金屬模具中；

(3)對鋁合金熔體間歇施加高能超聲場，再加入質(zhì)量分數(shù)為0.3%的精煉劑除渣，靜置10 min后，于730 ℃澆入金屬模具中。

1.3.3鋁基復(fù)合材料的制備工藝

K2TiF6粉末反應(yīng)溫度一般為850～880 ℃，本試驗為達到充分反應(yīng)的目的，熔體反應(yīng)溫度設(shè)定為900 ℃。首先將K2TiF6粉末在300 ℃下烘烤2 h，充分去除表面水分。然后將A356鋁合金錠放入石墨坩堝中，置于5 kW的井式電阻爐中進行熔煉，按鋁屑重熔工藝獲得A356鋁合金熔體，并將熔體溫度升至900 ℃，將經(jīng)烘烤的K2TiF6粉末分批用鐘罩壓入熔體中，待完全加入后，用石墨攪拌槳進行機械攪拌，使其與熔體發(fā)生反應(yīng)生成Al3Ti。K2TiF6粉末加入總量按Ti占鋁熔體質(zhì)量分數(shù)的1%計算。待反應(yīng)結(jié)束后將熔體降溫至780 ℃，對熔體間歇施加高能超聲場，在750 ℃熔體中加入質(zhì)量分數(shù)為0.3%的精煉劑，精煉5 min，最后于730 ℃澆入金屬模具中，制得鑄態(tài)原位顆粒增強鋁基復(fù)合材料。

2　結(jié)果與討論

2.1鋁屑重熔組織

如圖1所示是A356鋁合金錠與鋁屑的質(zhì)量為2∶1時，獲得的重熔組織的金相照片。圖1(a)～(c)的處理工藝分別為直接重熔、精煉處理、精煉處理+超聲共同作用(Al3Ti顆粒增強鋁基復(fù)合材料)。從圖1(a)中可以看出，未經(jīng)過任何處理的重熔組織含有大量的氣孔和夾雜物，氣孔和夾雜物部位極易造成應(yīng)力集中而形成裂紋源，從而導(dǎo)致材料的失效，特別是從圖中重熔組織的紋理可以斷定，重熔效果十分差，紋理沒有規(guī)律，粗細部紊亂，基本處于無序狀態(tài)，顆粒與顆粒之間缺乏有效重組，從物理學(xué)角度講，分子與分子粘結(jié)度過低。從圖1(b)中可以看出，經(jīng)過精煉K2TiF6處理后的熔體中，氣孔和夾雜物含量明顯降低。與圖1(a)相比，可以明顯看出其紋理脈絡(luò)相對較小，且有一定的規(guī)律，但是不排除部分組織紋理不規(guī)則情況。從圖1(c)中可以看出，經(jīng)過精煉處理和超聲共同作用后的鋁屑熔體內(nèi)含有極少量的氣孔和夾雜物，達到了除氣、除渣的最終目的，并且，從整個組織情況來看，顆粒之間緊密有序，黑色物質(zhì)較少，鋁屑組織的重熔效果明顯。

圖1　A356鋁合金切屑的重熔組織的SEM照片

2.2力學(xué)性能

在本次試驗中，試樣總共分為以下幾組：A356鋁合金、鋁屑重熔、鋁屑熔體精煉、鋁屑熔體精煉+超聲(Al3Ti顆粒增強鋁基復(fù)合材料)，其中A356鋁合金為基準組試樣，鋁屑重熔、鋁屑熔體精煉、鋁屑熔體精煉+超聲為對比組或者參照組。對鋁屑重熔及A356鋁合金錠重熔澆注的拉伸試棒進行常規(guī)T6處理，然后檢測其室溫拉伸性能，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，直接重熔鋁屑制備的材料，其抗拉強度為183 MPa，伸長率為2.9%，較A356鋁合金分別降低了22.8%和39.6%。經(jīng)過精煉處理的試樣，抗拉強度為215MPa，伸長率為3.8%，較A356鋁合金分別降低了9.3%和20.8%；而與直接重熔鋁屑制備的試樣強度和伸長率相比，分別增加了17.5%和31%。鋁屑熔體經(jīng)過精煉和超聲處理后，抗拉強度和伸長率分別達到245 MPa和5.7%，較A356鋁合金分別增加了3.4%和18.8%；與未經(jīng)任何處理的鋁屑熔體相比，Al3Ti顆粒增強鋁基復(fù)合材料抗拉強度和伸長率分別增加了33.9%和96.6%。

表1　試樣的拉伸性能

如圖2所示是鋁屑重熔試樣拉伸斷口照片。圖2(a)是未經(jīng)任何處理的鋁屑重熔試樣拉伸斷口形貌，從圖中可以看出，斷口韌窩較少且很淺，多以脆性平坦區(qū)為主，斷裂形式是脆性斷裂和塑形斷裂的結(jié)合。圖2 (b)是經(jīng)過精煉處理的鋁屑重熔試樣拉伸斷口形貌，和圖2(a)相比，韌窩明顯增多，這說明精煉處理降低了氧化夾雜物和氣孔的含量，脆性平坦區(qū)相對減少，斷裂形式以塑形斷裂為主，同時也有部分脆性斷裂。圖2(c)是經(jīng)過精煉和超聲聯(lián)合處理的鋁屑重熔試樣拉伸斷口形貌，從圖中可以看出，韌窩更深，脆性平坦區(qū)更少，斷裂形式主要是塑形斷裂。這說明，超聲和精煉劑的聯(lián)合作用對鋁屑熔體除渣除氣有非常明顯的效果。

圖2　不同工藝處理鋁屑熔體拉伸斷口微觀形貌

3　結(jié)束語

(1)在精煉劑和超聲共同作用下，成功地制備了Al3Ti顆粒增強鋁基復(fù)合材料。從研究結(jié)果可以看出，加入精煉劑后，復(fù)合材料的氣孔和氧化夾雜物都有明顯減少；在經(jīng)過精煉劑和超聲聯(lián)合作用后，Al3Ti顆粒增強鋁基復(fù)合材料的氣孔和氧化夾雜物進一步減少，在微觀組織中未見明顯的氣孔和夾雜物。

(2)通過力學(xué)性能測試及斷口分析可以得出，復(fù)合材料中的氧化夾雜物和氣孔對試樣的力學(xué)性能和斷裂形式影響明顯。

[1]萬時云.中國再生鋁工業(yè)發(fā)展前景展望[J].輕合金加工技術(shù), 2004,32(3):6—9.

[2]黃啟仲.鋁屑重熔的新工藝[J].特種鑄造及有色合金,2008,25(l):28—32.

[3]劉智雄,劉榮佩,張國強.顆粒增強鋁基復(fù)合材料的研究與發(fā)展[J].昆明冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報, 2008,24(5):5—10.

[4]潘利文,唐景凡,林維捐,等.固-液原位反應(yīng)法制備鋁基復(fù)合材料的研究進展[J].材料導(dǎo)報,2015,29(8):1—4.

[5]李偉.鑄造金屬基顆粒增強鋁基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鑄造,2002, (4):205—208.

[6]陳登斌.超聲/磁場下合成鋁基原位復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及其性能研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2012.

[7]李翊.SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2005.

[8]金鵬,劉越,李曙,等.顆粒增強鋁基符合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報，2009,23(6):24—27.

[9]樊建中，石力開.顆粒增強鋁基符合材料研究與應(yīng)用發(fā)展[J]. 宇航材料工藝，2012,(1):1—7.

2016-04-26

繆亞國(1976—)，男，工程師。電話：13506160022

TB333.1