原位合成Al-Cu-xTiB2鋁合金復(fù)合材料組織及性能研究

嚴(yán)衛(wèi)才，張 偉，于長(zhǎng)富，劉兆偉，楊 路

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽 111003）

0 前言

目前，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在全球眾多領(lǐng)域尤其是在航空、航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。根據(jù)顆粒加入基體方式的不同，制取方法可分為外加法和原位自生法兩種，原位自生法因可以更好地在基體中生成細(xì)小彌散的增強(qiáng)顆粒從而優(yōu)于外加法[2]。在原位自生法中，與SiC、Al2O3等增強(qiáng)顆粒不同，TiB2顆粒具備高硬度、高熔點(diǎn)、腐蝕性良好、耐磨性優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，原位自生法制備的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料具有穩(wěn)定程度高、易于二次加工、制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)潔、結(jié)合強(qiáng)度高、生成TiB2顆粒細(xì)小等特點(diǎn)，目前受到很多研究者的重視[3]。

采取復(fù)合強(qiáng)化，即向基體中添加增強(qiáng)顆粒，是進(jìn)一步提高鑄造鋁合金強(qiáng)度的重要手段之一。增強(qiáng)顆粒的引入會(huì)很好地提高材料的力學(xué)性能，增強(qiáng)的程度取決于顆粒的性能，但不意味著添加顆粒體積分?jǐn)?shù)越多越好[4]。Al-Cu系合金是工業(yè)上應(yīng)用最早也是使用最多的鑄造合金之一，應(yīng)用很廣泛[5]。Mandal A等[6]成功制備Al-4Cu-xTiB2原位復(fù)合材料，隨著TiB2含量的增加，其強(qiáng)度不斷增加。張磊等[7]采用混合鹽反應(yīng)制備了原位TiB2顆粒增強(qiáng)Al-4.5Cu復(fù)合材料，TiB2顆粒的引入明顯提高了基體硬度。Rosmamuhamadani R等[8]采用混合鹽法成功制取了含有TiB2顆粒的Al-6Cu基復(fù)合材料。目前，較少有人研究2524鋁合金中使用混合鹽法制備TiB2顆粒復(fù)合材料。因此本試驗(yàn)選用2524鋁合金為基體，采用KBF4和K2TiF6混合鹽法制備原位自生成不同體積分?jǐn)?shù)亞微米級(jí)TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并對(duì)其微觀組織及拉伸性能進(jìn)行了探討，以得到最合適的制備方法，同時(shí)對(duì)其增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了分析與總結(jié)。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選取2524鋁合金為基體合金，使用99%純度的兩種混合鹽（KBF4和K2TiF6）原位反應(yīng)制取TiB2增強(qiáng)顆粒?；旌消}制備溫度一般在800℃以上，隨著溫度的升高，熔體成分充分反應(yīng)所需的時(shí)間會(huì)大大縮短。但由于鋁合金溶液在高溫下吸氣嚴(yán)重，導(dǎo)致溶液質(zhì)量惡化，因此選用（850±3）℃為試驗(yàn)反應(yīng)溫度。

設(shè)計(jì)原位TiB2顆粒的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為2%、5%、8%和11%，以得到不同TiB2顆粒含量增強(qiáng)的2524鋁合金復(fù)合材料。具體試驗(yàn)步驟如下：將裝有2524鋁合金的石墨坩堝置于溫度為（850±3）℃的電阻爐中加熱至熔化狀態(tài)，隨后將混合鹽分批次按Ti和B的摩爾比為1∶2均勻混合加入熔融液體中，并立即用已預(yù)熱的石墨攪拌器充分?jǐn)嚢?；每次加入混合鹽后保溫1 h，保溫期間需進(jìn)行多次攪拌；隨后添加Al2O3粉末同時(shí)通氬氣進(jìn)行除渣；除渣后加入少量99.99%的純Al和純Mg以補(bǔ)充化學(xué)反應(yīng)時(shí)的消耗；降溫穩(wěn)定至（730±3）℃后澆入φ80 mm×300 mm的石墨模具，最終制得xTiB2-2524鋁合金復(fù)合材料。最后對(duì)其進(jìn)行（470℃+12 h）均勻化處理。

表1 2524鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖1為不同TiB2含量2524鋁合金復(fù)合材料鑄態(tài)和均勻化后微觀組織及晶粒度。由圖1（a）可以觀察到2524鋁合金鑄態(tài)組織中存有大量枝晶狀組織，且晶粒間存有許多非平衡組織，主要呈樹枝狀分布在晶界上。這些樹枝狀組織雖然作為強(qiáng)化相存在于基體中，但也會(huì)切割基體，造成材料力學(xué)性能的下降。觀察圖1（b）會(huì)發(fā)現(xiàn)鑄錠經(jīng)過均勻化處理之后，網(wǎng)狀分布的非平衡共晶組織基本熔斷，分離成小塊狀，且晶粒內(nèi)彌散相析出[9]。

圖1 2524-xTiB2鋁合金復(fù)合材料鑄態(tài)和均勻化后微觀組織及晶粒度

對(duì)于使用顆粒增強(qiáng)方式強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料來說，增強(qiáng)顆粒的大小、形狀及分布程度在很大程度上影響著復(fù)合材料的力學(xué)性能。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)原位生成的TiB2顆粒主要在2524鋁合金基體中沿晶分布，可促進(jìn)沿晶分布的Al2Cu相由網(wǎng)狀向顆粒狀轉(zhuǎn)變。顆粒狀A(yù)l2Cu對(duì)于合金基體可以起到很好的強(qiáng)化作用。隨著混合鹽投放量的提高，基體中TiB2顆粒含量越來越多，且分布越來越均勻。但當(dāng)TiB2引入量達(dá)到11%，基體中開始出現(xiàn)明顯的TiB2顆粒團(tuán)簇現(xiàn)象。TiB2顆粒的團(tuán)簇會(huì)切割基體，降低增強(qiáng)效果，使材料的機(jī)械性能變差[10]。同時(shí)，隨著TiB2顆粒的添加，2524鑄態(tài)合金中存在的枝晶逐漸消失且鑄態(tài)不規(guī)則晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，晶粒開始明顯細(xì)化，其級(jí)別從3級(jí)增加到4.5級(jí)。

圖2為不同TiB2含量2524鋁合金材料均勻化后的SEM照片。圖2（a）是基體2524鋁合金經(jīng)均勻化后的SEM照片，里面含有沿晶分布的灰色析出相。經(jīng)1 000倍放大后可以發(fā)現(xiàn)，這些灰色析出相由小顆粒狀物質(zhì)構(gòu)成，鑄態(tài)合金中粗大第二相經(jīng)均勻化后會(huì)分解、斷裂為細(xì)小相。從表2中A點(diǎn)的EDS能譜可知，A點(diǎn)主要含有Al、Cu等元素，可推測(cè)其主要是Al2Cu析出相。由圖2（d）可以知道，當(dāng)通過原位反應(yīng)后，合金中會(huì)出現(xiàn)一種新的細(xì)小顆粒狀析出相，通過表2中B點(diǎn)的EDS結(jié)果可以推測(cè)就是添加的TiB2顆粒。這種彌撒分布的TiB2將會(huì)很好地增強(qiáng)基體強(qiáng)度。觀察圖2（c）、（d）和（f）發(fā)現(xiàn)，隨著混合鹽添加的增多，合金中的TiB2越來越多。當(dāng)添加量達(dá)到11%時(shí)，合金中TiB2顆粒團(tuán)簇現(xiàn)象越來越多，會(huì)造成合金性能降低。

圖2 均勻化后xTiB2-2524鋁合金復(fù)合材料的SEM圖

表2 圖2中A、B點(diǎn)的EDS能譜分析結(jié)果

2.2 拉伸性能

如圖3所示，隨著增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，TiB2-2524合金復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度得到明顯改善且增大。當(dāng)TiB2添加量為2%時(shí)，強(qiáng)度變化不明顯，但隨著其體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到5%和8%時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度為255.7 MPa和274.4 MPa，分別提高了約6.3%和14%。當(dāng)增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大到11%時(shí)，強(qiáng)度開始下降。TiB2-2524復(fù)合材料的延伸率相對(duì)下降并不明顯，分別只下降了2.4%、3.9%、8.6%和10.3%。

圖3 2524鋁合金復(fù)合材料均勻化后的拉伸性能

圖4為均勻化后2524復(fù)合材料的拉伸斷口形貌。從圖4（a）、（b）、（c）中可以觀察到，2524鋁合金復(fù)合材料斷口上有大量韌窩，韌窩的底部存在許多細(xì)小的顆粒，其斷裂特征為典型的微孔聚集型，同時(shí)可以觀察到顆粒隨TiB2含量的增多而增多。當(dāng)TiB2含量為2%時(shí)，韌窩尺寸大而數(shù)量少，且邊緣被拉長(zhǎng)，表現(xiàn)為拉長(zhǎng)韌窩；TiB2含量為8%時(shí)，韌窩尺寸變小而數(shù)量多，韌窩形狀呈等軸狀。因此可知，隨TiB2含量的提高，2524鋁合金復(fù)合材料的斷口形狀從拉長(zhǎng)式韌窩轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S式韌窩，韌窩深度逐漸變淺，其尺寸逐漸減小，數(shù)量開始增多，表明材料的塑性逐漸降低。觀察圖4（d）會(huì)發(fā)現(xiàn)，TiB2含量為11%時(shí)韌窩中顆粒變得更多。由圖2（d）可知此時(shí)TiB2顆粒團(tuán)簇現(xiàn)象越來越多，所以材料力學(xué)性能降低。

圖4 2524鋁合金復(fù)合材料均勻化后拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

（1）通過混合鹽原位反應(yīng)，成功制得TiB2-2524鋁合金復(fù)合材料。隨著TiB2顆粒添加的增多，2524鋁合金晶粒明顯細(xì)化，晶粒度由3級(jí)增加到4.5級(jí)，且可促進(jìn)沿晶分布的Al2Cu相由網(wǎng)狀向顆粒狀轉(zhuǎn)變。TiB2粒子可以均勻分布在2524鋁合金基體內(nèi)，當(dāng)添加量達(dá)到11%時(shí)，合金中TiB2顆粒團(tuán)簇現(xiàn)象明顯增多。

（2）TiB2顆粒的添加使2524鋁合金的抗拉強(qiáng)度得到顯著提高。當(dāng)TiB2顆粒添加量為8%時(shí)，合金的拉伸性能最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到274.4 MPa，比基體提高了約14%，伸長(zhǎng)率隨著TiB2顆粒含量的增加而降低。

（3）隨TiB2含量的提高，2524鋁合金復(fù)合材料的斷口形狀從拉長(zhǎng)式韌窩轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S式韌窩，韌窩深度逐漸變淺。