TiB2顆粒增強鋁基復合材料的制備及組織性能研究

王海鵬++孫權++劉少軍

一、試驗材料

1.1 化學成分

1.2 微觀組織

圖1為原位合成TiB2顆粒增強鋁基復合材料顯微組織照片。由圖1（a）可知，提供的合金中存在大量的顆粒狀物相，且多分布于晶界處。在圖1（b）中發現，晶界處主要存在兩種物相：微粒狀物相（標記為A，尺寸為5μm）與團塊狀物相（標記為B，尺寸為40μm）。對其進行能譜分析測得，A物相中包括AlCu2與Al2O3相，而B物相為（Ti，Al，Si）相。但是，無法在試樣中找到TiB2相與共晶Si相。

推測，合金中的Ti原子并未與B原子結合生成TiB2相，反而與Al、Si原子結合生成（Ti，Al，Si）相，這也是合金中共晶Si相消失的原因。

進一步對試樣進行能譜分析，如圖2所示。發現α-Al基體中固溶有少量的Cu元素，同時發現少量塊狀的Si相，能譜分析發現里面含有Al與Ti元素，近似于（Ti，Al，Si）相生成的中間階段。值得注意的是，原材料試樣內部鑄造缺陷（如氣孔夾雜）較多，推測其未經過精煉處理。

二、試驗方法

熔煉合金錠的總質量為100kg。精煉后靜置一段時間后，平穩澆注，澆注過程中一定要控制發氣量，避免納米顆粒消失。其中精煉溫度為750～760℃，澆注溫度為740～750℃，精煉劑為0.5%的六氯乙烷和0.2%的TiO2。實驗中共澆注金屬型試棒和砂型試棒各20根，如圖3和圖4所示。熱處理制度為：固溶520℃/8h，水淬；雙級時效120℃/1h+170℃/6h。

三、試驗結果及討論

3.1 化學成分

澆注試棒前，取少量金屬液待其凝固后測定該鋁基復合材料的化學成分。化學成分測定結果見表2。

3.2 微觀組織

圖5為第一次重熔澆注試棒的微觀組織照片。由圖5（a）可知，第一次重熔后合金中同樣含有數量較多的顆粒狀物相，分布較重熔前原始組織（圖1（a））更加不規則。由圖5（b）可知，試樣中主要含有針片狀物相（尺寸約為50μm）和尺寸較小（5μm）的顆粒狀物相。經能譜分析得知：針片狀物相為共晶Si相，顆粒狀物相主要含有AlCu2相與TiAl相（含少量Fe元素）。此外檢測到試樣中有少量AlB化合物（見圖6），但并未檢測到TiB2相的存在。推測重熔的過程使得B元素得到更高的自由能，但是由于含量太少，無法滿足生成TiB2相的動力學條件，使得熔體中少量的B原子只能與Al原子結合生成AlB化合物。

3.3 力學性能

鑄態試棒及經熱處理后試棒的室溫拉伸性能分別見表3和表4。

3.4 斷口分析

經熱處理后的金屬型試棒和砂型試棒的拉伸斷口形貌如圖7和圖8所示，分別對應表4中的1#試棒和5#試棒。可以看出，兩種試棒的斷口上均無明顯韌窩，屬于典型的脆性斷裂。

實驗中得到的鋁基復合材料經熱處理后，力學性能與供方提供數據相差較大，可能與精煉具體操作工藝及精煉過程中使用的精煉劑有關。實驗過程中，使用的精煉劑（0.5%的六氯乙烷和0.2%的TiO2）可能造成精煉過程中發氣量較大，導致納米顆粒的消失。

五、結論

（1）提供原始材料組織中Ti元素多參與形成（Ti，Al，Si）相，導致TiB2相含量較少。

（2）氬氣Ar精煉可導致合金中粒子的減少，推測在旋轉除氣過程中氣泡的逸出帶出了大量的粒子。

（3）重熔+六氯乙烷精煉可增大B元素自由能，此時若Ti、B元素足夠含量的話，可生成TiB2粒子，可做進一步試驗驗證。endprint