原位TiAl3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組織與性能

秦晉 陳剛 杜之明 劉曉晶

摘 要：采用超聲輔助原位鑄造法制備了TiAl3/2024Al復(fù)合材料。研究了TiAl3/2024Al復(fù)合材料的微觀組織、力學(xué)性能和耐磨性。XRD測(cè)試分析結(jié)果表明，在2024Al熔體中加入Ti顆粒，835℃超聲攪拌15 min發(fā)生原位反應(yīng)得到的唯一產(chǎn)物為TiAl3。通過SEM組織觀察，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)超聲的引入破壞了TiAl3相的定向生長(zhǎng)趨勢(shì)，得到了顆粒細(xì)小、在基體中分布均勻的TiAl3增強(qiáng)體。與超聲熔體處理后的2024Al比較，14vol.%TiAl3/2024Al復(fù)合材料基體的維氏硬度提高了43%，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度提高了34%，抗拉強(qiáng)度提高了19%。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明，2024Al在摩擦進(jìn)行30分鐘后出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，而14vol.%TiAl3/2024Al復(fù)合材料磨損較小，說(shuō)明原位生成的TiAl3顆粒可以顯著提高材料的耐磨性能。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)超聲;原位反應(yīng);復(fù)合材料;力學(xué)性能;耐磨性能

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.005

中圖分類號(hào)： TB333

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）05-0023-06

Abstract：

TiAl3/2024Al composites were prepared by ultrasonic-assisted in-situ casting.The microstructures， mechanical properties and wear resistance of TiAl3/2024Al composites were studied. The results of XRD analysis show that TiAl3 is the only product obtained by adding Ti particles into 2024Al melt with ultrasonic stirring at 835℃ for 15min. SEM observation showed that the introduction of high-intensity ultrasonic destroyed the directional growth trend of TiAl3 phase， and TiAl3 reinforcement with fine particles and uniform distribution in the matrix was obtained. Compared with 2024Al treated by ultrasonic， the Vickers hardness of 14vol.%TiAl3/2024Al composite matrix increased by 43%， the yield strength and tensile strength of the composite increased by 34% and 19%， respectively. Friction and wear experiments show that 2024Al wears seriously after 30 minutes testing， while 14vol.%TiAl3/2024Al composites wear less， which indicates that the in-situ TiAl3 particles can significantly improve the wear resistance of materials.

Keywords：

high-intensity ultrasonic; in-situ reaction; composites; mechanical properties; wear resistance

0 引 言

通過增強(qiáng)體相與鋁合金材料復(fù)合，得到的鋁基復(fù)合材料具室溫強(qiáng)度高，高溫性能優(yōu)異等特點(diǎn)[1-3]。增強(qiáng)體的引入有外加法和原位自生法，相較于外加法，原位法具有潤(rùn)濕性好，增強(qiáng)體與基體界面清潔，增強(qiáng)體與基體結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此利用原位反應(yīng)法制備復(fù)合材料受到廣泛的關(guān)注。結(jié)合原位反應(yīng)制備復(fù)合材料的基本原理，研究者提出了許多制備原位復(fù)合材料的新技術(shù)，如原位鑄造、粉末冶金、攪拌摩擦加工和機(jī)械合金化等。其中，由于原位鑄造具有效率高、成本低、便于近凈成形等優(yōu)點(diǎn)，已成為制備原位自生復(fù)合材料最有效的方法之一[5-8]。有研究者提出可以將超聲處理與原位鑄造相結(jié)合，利用高強(qiáng)超聲在合金熔體中的振動(dòng)，起到晶粒細(xì)化和排出氣的作用[9]。有研究表明超聲振動(dòng)能有效促進(jìn)增強(qiáng)相顆粒的生成[10-12]。

TiAl3是一種低密度、耐高溫、抗氧化、具有高彈性模量的金屬間化合物。固體Ti粉末[13]或含有Ti元素的某些化合物[14]與鋁基體（鋁熔體或鋁粉末）直接反應(yīng)可以得到原位自生TiAl3相。本研究使用超聲輔助原位鑄造法制備TiAl3/2024Al復(fù)合材料，并對(duì)材料進(jìn)行了微觀組織觀察和機(jī)械性能測(cè)試，研究結(jié)果將有助于TiAl3增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的后續(xù)研究與應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

基體材料為Al-Cu-Mg系2024高強(qiáng)硬鋁合金。2024Al的密度較小、強(qiáng)度較高、加工性能優(yōu)異，常作為高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)件。本研究使用的2024Al由東北輕合金有限公司提供，合金成分如表1所示。

純鈦粉、TiO2、Na3TiF6及K2TiF6是常用的引入Ti元素的幾種添加物。本實(shí)驗(yàn)選用由北京興榮源科技有限公司提供的，氧化還原法制備的不規(guī)則鈦顆粒（純度為99.5%），平均粒度45μm，顆粒的微觀形貌如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

用電磁感應(yīng)加熱法使2024鋁合金在坩堝中熔化。用K型熱電偶測(cè)量溫度，當(dāng)金屬熔化后將熱電偶深入金屬熔體約30mm處以監(jiān)控加熱溫度。溫度達(dá)到835℃時(shí)，將一定量Ti粉末加入到2024鋁合金熔體中。同時(shí)將超聲波輻射桿置于熔體表面以下，將功率1.8kW、頻率20kHz的超聲振動(dòng)引入到熔融態(tài)的合金中，進(jìn)行超聲振動(dòng)處理。

超聲處理15min后，將熔體迅速倒入尺寸為Φ50mm×H50mm鋼模中，得到增強(qiáng)體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14vol.%的TiAl3/2024Al復(fù)合材料鑄錠。以相同工藝參數(shù)制備不含增強(qiáng)體相的2024Al鑄錠作為對(duì)照組。

1.3 實(shí)驗(yàn)表征

使用捷克TESCAN公司生產(chǎn)的配有EDAX能譜儀的VEGA-II掃描電鏡，進(jìn)行微觀組織形貌觀察和元素分析。使用DX-2700型X射線衍射儀對(duì)材料進(jìn)行物相分析。本研究中的塊狀試樣觀察面采用砂紙打磨、金剛石噴砂拋光和凱勒實(shí)際腐蝕處理，粉末試樣經(jīng)超聲清洗、烘干分散后進(jìn)行觀測(cè)。

常溫拉伸試驗(yàn)加載應(yīng)變速率1mm/min，取三次拉伸試驗(yàn)的平均值。硬度測(cè)試在維氏硬度計(jì)上測(cè)量，實(shí)驗(yàn)載荷F=1000g，選取視野范圍內(nèi)一條直線上的不同位置進(jìn)行測(cè)量，取平均值。使用中科凱華科技開發(fā)公司生產(chǎn)的HT-1000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，載荷20N，摩擦副轉(zhuǎn)速800r/min，測(cè)試時(shí)間30min。

2 結(jié)果與討論

2.1 原位反應(yīng)產(chǎn)物

本實(shí)驗(yàn)中原位鑄造溫度遠(yuǎn)低于Ti的熔點(diǎn)，Ti-Al原位反應(yīng)是固態(tài)Ti與液態(tài)2024Al之間發(fā)生的固液反應(yīng)過程。在富鋁區(qū)鋁熔點(diǎn)溫度以上Ti-Al體系中可能發(fā)生多種反應(yīng)，隨反應(yīng)條件的變化，可能得到TiAl、Ti2Al5、TiAl2、TiAl3、Ti3Al等多種產(chǎn)物。可根據(jù)反應(yīng)前后吉布斯自由能的變化判斷反應(yīng)是否進(jìn)行：ΔG<0，反應(yīng)可以進(jìn)行，反之則反應(yīng)很難進(jìn)行。圖2是各化合物自由能變與溫度間的關(guān)系曲線。由圖2可知，TiAl2和Ti2Al5曲線低，能變絕對(duì)值大，反應(yīng)最容易進(jìn)行，但TiAl2和Ti2Al5都是以TiAl為反應(yīng)物繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)得到的。TiAl的曲線最高，其能變絕對(duì)值小，相較而言，生成TiAl的反應(yīng)不易進(jìn)行，同時(shí)阻礙了TiAl2和Ti2Al5的形成。Ti3Al和TiAl的自由能變曲線相交于700K溫度點(diǎn)，說(shuō)明700K時(shí)Ti與Al反應(yīng)，可能同時(shí)發(fā)生獲得TiAl和Ti3Al的化學(xué)反應(yīng)。溫度200～1600K，Al元素充足的情況下，直接反應(yīng)得到TiAl3的反應(yīng)更易進(jìn)行。因此，根據(jù)反應(yīng)熱力學(xué)分析，Ti-Al反應(yīng)生成的最終產(chǎn)物應(yīng)為TiAl3。

圖3為超聲輔助鑄造法制備的復(fù)合材料的XRD測(cè)試結(jié)果。圖譜中沒有發(fā)現(xiàn)其他Ti-Al化合物，只有Al和TiAl3的衍生峰，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)中，835℃熔體超聲震蕩15min后反應(yīng)完全，得到唯一反應(yīng)生成產(chǎn)TiAl3，與上述反應(yīng)熱力學(xué)分析得結(jié)論相符。

圖3 復(fù)合材料的XRD圖譜

Fig.3 X-ray diffraction patterns of composites

2.2 微觀組織

圖4為14%TiAl3/2024 Al的SEM微觀組織照片?？捎^察到許多灰顏色細(xì)小的顆粒彌散的分布在鋁合金基體中。經(jīng)EDS能譜分析，顆粒中Ti和Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.22%和73.78%，說(shuō)明灰顏色的小顆粒為反應(yīng)生成物TiAl3。

無(wú)超聲輔助進(jìn)行原位鑄造，Ti-Al的反應(yīng)產(chǎn)物也為TiAl3。TiAl3（001）晶面的生長(zhǎng)速度大于其他晶面，其產(chǎn)物形貌呈現(xiàn)方向性，多為針狀或細(xì)桿狀，這與超聲輔助下的Ti-Al反應(yīng)得到的產(chǎn)物形貌有很大的不同。

反應(yīng)產(chǎn)物的形貌變化與超聲的作用有關(guān)。當(dāng)超聲強(qiáng)度和聲場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)發(fā)生超聲空化和聲流效應(yīng)?？赏ㄟ^式（1）和式（2）分別計(jì)算超聲強(qiáng)度I和聲場(chǎng)強(qiáng)度PA。

其中：ρAl為2024Al熔體密度，單位g/cm3;c為超聲傳播速度，單位m/s;ω為超聲頻率，單位Hz;A為超聲振幅，單位μm;P為設(shè)備輸出功率，單位kW;S為超聲桿截面積，單位cm2。本研究實(shí)驗(yàn)條件下，鋁熔體中的超聲波強(qiáng)度和聲壓強(qiáng)度分別為344W/cm2和4×106Pa，均大于Eskin提出的發(fā)生超聲空化和聲流效應(yīng)超聲強(qiáng)度的最小值[15]。因此，在Ti-Al反應(yīng)振蕩過程中有超聲空化及聲流效應(yīng)發(fā)生。在原位反應(yīng)過程中的超聲空化和聲流效應(yīng)可以攪拌去除氣體、去除雜質(zhì)、提高反應(yīng)物之間的潤(rùn)濕性、提供瞬時(shí)局部高溫高壓，金屬熔體內(nèi)出現(xiàn)高頻交替剪切效應(yīng)。超聲聲場(chǎng)作用在TiAl3顆粒上的最大作用壓強(qiáng)P可以表示為：

本研究實(shí)驗(yàn)條件下，最大局部壓強(qiáng)為5MPa。局部高壓使反應(yīng)物剝落，剝落的TiAl3不斷向基體中游離。同時(shí)在局部壓力作用下，TiAl3的方向性生長(zhǎng)被破壞，其形貌由具有一定長(zhǎng)軸比的桿狀變?yōu)榻容S狀的小顆粒。這種變化使TiAl3的（001）晶面面向2024鋁合金熔體，進(jìn)而影響了基體相的形核。由圖1可以觀察到，大部分TiAl3顆粒分布于基體晶粒內(nèi)部，這是由于TiAl3（001）晶面與Al基體（001）晶面的晶格錯(cuò)配度為0.05，具有一定的共格特性。因此，TiAl3可以作為2024Al合金的異質(zhì)形核核心，起到細(xì)化基體晶粒的作用。

2.3 力學(xué)性能分析

分別測(cè)試2024Al和14%TiAl3/2024Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，其結(jié)果分別如圖6和圖7所示。2024Al的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度平均值分別為265MPa和3194MPa，維氏硬度為96。14%TiAl3/2024Al復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度平均值分別為356MPa和381MPa，基體維氏硬度為137，復(fù)合材料整體硬度為146。由于TiAl3相與基體晶格結(jié)構(gòu)的相容性，對(duì)基體晶粒細(xì)化起到了重要的作用。在復(fù)合材料中存在由于TiAl3顆粒與2024鋁基體間熱錯(cuò)配引起的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力釋放時(shí)，材料中的位錯(cuò)密度增加。因此，TiAl3/2024Al復(fù)合材料基體的屈服強(qiáng)度提升是細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制共同作用的結(jié)果。與2024Al相比復(fù)合材料的基體硬度提高了43%，屈服強(qiáng)度提高了34%，抗拉強(qiáng)度提高了19%。大量TiAl3顆粒的存在一定程度上破壞了基體材料塑形變形的連續(xù)性，使材料的塑性降低。因此復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的提高遠(yuǎn)沒有屈服強(qiáng)度顯著。

2.4 耐磨性分析

圖8為摩擦進(jìn)行30min后2024鋁合金和14%含量的TiAl3/2024Al復(fù)合材料的宏觀摩擦磨損形貌。800r/min的摩擦速度下，在不同金屬試樣的表面留下了深淺不一的環(huán)形槽?？梢钥吹?024Al合金受到的摩擦磨損十分嚴(yán)重，磨損形成的環(huán)形槽寬度較大且比較深。相比而言，含有增強(qiáng)體顆粒的鋁基復(fù)合材料的磨損痕跡較淺，槽寬更小，沒有出現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移。

圖9為室溫下2024鋁合金和復(fù)合材料的摩擦磨損SEM照片。由圖片可以觀察到，磨損表面上出現(xiàn)了與摩擦方向一致的犁溝，證明摩擦試驗(yàn)過程中發(fā)生了磨料磨損。2024Al試樣表面有較為明顯的粘著痕跡，同時(shí)有大片剝落，這是由于2024Al中的裂紋隨著摩擦的進(jìn)行不斷增加，不同方向的裂紋最終相交，使得裂紋相交區(qū)域內(nèi)的金屬發(fā)生剝落。在復(fù)合材料試樣的表面上出現(xiàn)了明顯剝落區(qū)I和較輕磨損區(qū)II，兩區(qū)域分界線也與摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。明顯剝落區(qū)I里出現(xiàn)了金屬粘著痕跡，而較輕磨損區(qū)II中只存在犁溝狀的劃傷痕跡。2024Al的室溫磨損深度約為10μm，14%TiAl3/2024Al復(fù)合材料的磨損深度只有約15μm。相比于基體材料，TiAl3相強(qiáng)度、硬度均較高，抗氧化、耐磨性好，因此將TiAl3顆粒與2024Al基體復(fù)合，可以顯著提高材料的硬度、抗氧化性和熱穩(wěn)性，起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。

3 結(jié) 論

本研究通過超聲輔助原位鑄造的方法法制備了14vol.%TiAl3/2024Al復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料的微觀組織和性能進(jìn)行了探討，得到以下結(jié)論：

1）研究發(fā)現(xiàn)Ti-Al固液原位反應(yīng)得到的唯一產(chǎn)物是TiAl3。引入高強(qiáng)超聲帶來(lái)的空化和聲流效應(yīng)，破壞了TiAl3相的定向生長(zhǎng)趨勢(shì)。超聲輔助原位鑄造制備的復(fù)合材料中TiAl3顆粒細(xì)小，分布均勻。同時(shí)由于與基體的共格性，TiAl3顆?？梢宰鳛榛w相異質(zhì)形核的核心，起到細(xì)化晶粒的作用。

2）與2024Al相比14%TiAl3/2024Al復(fù)合材料的基體硬度提高了43%，屈服強(qiáng)度提高了34%，抗拉強(qiáng)度提高了19%。在基體中引入TiAl3顆粒，帶來(lái)的細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化是屈服強(qiáng)度提升的主要原因。

3）摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明，2024Al在摩擦進(jìn)行30分鐘后出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損，而14%TiAl3/2024Al復(fù)合材料磨損較小，說(shuō)明原位生成的TiAl3顆粒可以顯著提高材料的耐磨性能。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：王 萍）