TiB2增強(qiáng)顆粒含量對(duì)6061鋁基復(fù)合材料性能的影響

于長(zhǎng)富，張祝琿，楊 路，馬國(guó)強(qiáng)，徐 鑫

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是將TiB2增強(qiáng)顆粒加入或自生到鋁基體中，得到兼有鋁合金基體材料韌性、塑性的同時(shí)兼具增強(qiáng)顆粒較高的強(qiáng)度、模量的復(fù)合材料[1-2]。盡管增強(qiáng)效果不如纖維那么明顯，但由于制備工藝簡(jiǎn)單，可沿用金屬材料的加工成型方法，后續(xù)的加工費(fèi)用低，在性能上又能彌補(bǔ)單一金屬材料的不足，使材料的剛度、耐磨性、耐熱性、抗蠕變性均有較大提高[3-4]。且制得的材料性能各向同性，微觀結(jié)構(gòu)均勻，具有良好的發(fā)展前景[5]。本文通過(guò)加入不同含量的TiB2增強(qiáng)顆粒，研究其對(duì)6061鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度和模量的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用6061鋁合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.77，F(xiàn)e 0.15，Cu 0.16，Mn 0.11，Mg 0.75，Cr 0.11，Ti 0.10，B 0，TiB20。增強(qiáng)顆粒：將顆粒狀的K2TiF6和KBF4按照一定的配比進(jìn)行配料，加入到熔融的鋁熔體中。額外消耗鋁補(bǔ)充：補(bǔ)充鋁采用的純度為99.99%的工業(yè)純鋁，并在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)同6061鋁合金基材一同加熱。除渣劑：采用Al2O3粉末，粉末的用量為可覆蓋鋁液表面5mm厚。氬氣：采用工業(yè)用高純氬氣，并通過(guò)通氣裝置直接通入鋁液中。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用氟鹽法制備富含TiB2粒子的鋁基復(fù)合材料。該方法制備原料低廉、工藝簡(jiǎn)潔，且產(chǎn)生雜質(zhì)為浮于溶體上方的液態(tài)水渣,但該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，存在一定的燒損。氟鹽反應(yīng)法主要是將氟鹽(K2TiF6和KBF4)加入到熔融的鋁熔體中，靜置充足時(shí)間后制備合金錠。反應(yīng)式如下：6KBF4+3K2TiF6+10Al→3TiB2+9KAlF4+K3AlF6ΔH=1407kJ/mol。

本試驗(yàn)以6061為基體合金，進(jìn)行5組不同成分的鋁基復(fù)合材料的制備，以提高基體合金的強(qiáng)度，見(jiàn)表1。TiB2顆粒含量分別為0、2.5%、5%、7.5%和10%。基體合金采用重熔6061合金鑄錠的方式，成分以重熔合金成分為基準(zhǔn)。熔煉設(shè)備采用的是坩堝電阻爐和石墨坩堝，模具采用的是Ф80mm×300mm的石墨模具，熔煉溫度為850℃，澆注溫度為710℃～730℃，采用加Al2O3粉末同時(shí)通氬氣的方法進(jìn)行除渣。澆注時(shí)采用陶瓷過(guò)濾，鑄造工藝如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面質(zhì)量

試驗(yàn)制備鑄錠表面宏觀形貌如圖2所示，TiB2顆粒含量分別為0、2.5%、5%、7.5%和10%。鑄錠尺寸為Ф80mm×300mm。

2.2 組織和晶粒度

圖3是不同TiB2含量下鑄錠的組織形貌。由圖3可看出，TiB2顆粒呈黑色棒狀和粒狀，隨著TiB2顆粒含量的增多，晶界上聚集的TiB2顆粒越多，由于顆粒越多金屬流動(dòng)性越差，會(huì)導(dǎo)致TiB2顆粒逐漸聚集變大，顆粒的間距會(huì)逐漸變小。

圖4是圖3中不同TiB2含量下鑄錠的組織晶粒度。由圖4可見(jiàn)隨著TiB2顆粒越多，晶粒的大小會(huì)逐漸變小，這是由于晶界上TiB2顆粒會(huì)阻礙晶粒長(zhǎng)大，并導(dǎo)致晶界加寬。另外澆注溫度、模具溫度以及澆注速度都會(huì)影響晶粒尺寸的大小。

2.3 力學(xué)性能及彈性模量

由圖5可見(jiàn)，在TiB2顆粒含量為0～10%時(shí)，隨著TiB2顆粒含量的提高，材料的抗拉強(qiáng)度逐漸提高，這是由于增強(qiáng)體顆粒起到傳遞、承受載荷和阻礙基體位錯(cuò)的作用。顆粒含量越多，所能承受的載荷越大[6]。

屈服強(qiáng)度會(huì)先降低后提高，這是由于隨著TiB2含量的提高，材料的屈服極限與顆粒的間距成反比，當(dāng)顆粒含量較少時(shí)其間距較大，此時(shí)屈服強(qiáng)度會(huì)降低，隨著顆粒含量的提高，顆粒間距逐漸減小，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度逐漸提高[7]。當(dāng)TiB2顆粒含量達(dá)到10%時(shí)，材料的抗拉性能以及延伸率較基材都有較大的提高。由圖6可見(jiàn)，隨著TiB2顆粒的提高，彈性模量先降低后提高。

這是由于當(dāng)TiB2顆粒含量較低時(shí)，TiB2顆粒與鋁合金基體之間潤(rùn)濕性很差，在復(fù)合材料的制備過(guò)程中，容易出現(xiàn)增強(qiáng)體顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，隨著增強(qiáng)體顆粒含量的增加，這種團(tuán)聚現(xiàn)象也就越有可能發(fā)生，難以獲得TiB2顆粒分布均勻的復(fù)合材料。TiB2團(tuán)聚顆粒與鋁合金液體發(fā)生界面反應(yīng)，容易生成大量的脆性界面產(chǎn)物，使增強(qiáng)顆粒脫粘，這種弱界面的存在反而使復(fù)合材料的彈性模量降低，此時(shí)稱(chēng)之為弱化作用，為影響材料彈性模量的主要因素[8]。

隨著TiB2顆粒含量的繼續(xù)增多，在增強(qiáng)體顆粒周?chē)壬舜罅康奈诲e(cuò)。大量的位錯(cuò)之間產(chǎn)生了摩擦和纏繞，使晶格產(chǎn)生畸變，增強(qiáng)顆粒在材料中所承擔(dān)的載荷也增加，更利于載荷的傳遞，起到了晶格強(qiáng)化的作用。因此強(qiáng)化效果逐漸提高，增強(qiáng)粒子彈性模量的作用更加明顯。當(dāng)TiB2顆粒含量為7.5%時(shí)，彈性模量較基材提高了6.55%，當(dāng)TiB2顆粒含量為10%時(shí)，彈性模量較基材提高了21.54%。因此，為了提高材料的彈性模量，TiB2顆粒的添加量應(yīng)≥7.5%。

3 結(jié)論

(1)基于6061鋁基復(fù)合材料，在TiB2顆粒含量為0～10%時(shí)，隨著TiB2顆粒含量的增加，材料的彈性模量會(huì)呈現(xiàn)先降低再提高的趨勢(shì)。當(dāng)TiB2顆粒含量≥7.5%時(shí)，材料的彈性模量會(huì)優(yōu)于基材，并且含量越多，彈性模量越大。

(2)在6061鋁基復(fù)合材料中，當(dāng)TiB2顆粒含量為7.5%～10%時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及硬度均優(yōu)于基材，屈服強(qiáng)度略低于基材。根據(jù)屈服強(qiáng)度變化趨勢(shì)，當(dāng)TiB2顆粒含量繼續(xù)增加，材料的屈服強(qiáng)度會(huì)逐漸提高。