基于鋁基復合材料熱處理羽毛球拍桿性能分析

李維強

(陜西國際商貿學院, 陜西 西安 712046)

鋁基復合材料在我國有著十分廣泛的應用，鋁也是地殼中儲存量最多、分布最為廣泛的金屬元素之一，將鋁基復合材料應用于運動器材中可以大幅強化運動器材的使用壽命與力學性能[1]。對于羽毛球拍來說，羽毛球拍桿是最主要的受力部位，該部位力學性能的強化需要從提升基體界面與增強顆粒之間的結合度入手[2]，本次研究所采用的強化方法為熱處理技術。

1 鋁基復合材料的熱處理方法

本次研究通過單級固溶和雙級固溶兩種手段對鋁基復合材料進行熱處理，所采用的鋁基復合材料為Al3Ti/7075。其中，單級固溶處理分別采用三種處理方案，即460 ℃/1 h, 3h,5 h,7 h+水淬；480 ℃/1 h,3 h,5 h,7 h+水淬；500 ℃/1 h,3 h,5 h,7 h+水淬；雙組固溶處理分別采用兩種處理方案，即一級固溶處理440 ℃/3 h，二級固溶處理460 ℃/1 h,1.5 h,2 h,2.5 h,3 h,3.5 h,4 h+水淬。二級固溶處理440 ℃/3 h，二級固溶處理480 ℃/1 h,1.5 h,2 h,2.5 h,3 h,3.5 h,4 h+水淬。

2 單級固溶與復合材料力學性能之間的關系

2.1 固溶溫度與復合材料力學性能之間的關系

經實驗研究發現，在460 ℃固溶1 h的情況下，由于固溶溫度不高，晶界上和晶粒內存在許多第二相粒子，基體合金與這些粒子之間的溶合不夠充分。溫度的不斷升高會顯著增長第二相粒子的回溶數量[3]，晶界上和晶粒內中的第二相粒子數量持續降低。在固溶處理溫度達到480 ℃的情況下，鋁基復合材料晶粒組織開發收縮，未出現晶粒顯著擴大的現象，但仍然存在一定未回溶到基本內的第二相粒子。在固溶溫度進一步增加的過程中，晶粒會隨之擴大，一定程度上降低了材料的硬度[4]，合金內部持續流失過剩相，并降低彌散強化效果[5]。由此可知，合金的強度同時受到強化與弱化兩方面因素的作用，在單級固溶熱處理工藝下，將固溶溫度設定在480 ℃可以最大程度上提升基本界面與增強顆粒之間的結合度。

2.2 固溶時間與復合材料力學性能之間的關系

本次研究雖然已經確認了480 ℃為單級固溶熱處理鋁基復合材料的最佳溫度，但在固溶處理時間較短的情況下，仍然會存在一部分未溶第二相，這就需要適當增加固溶處理時間[6]。經實驗研究發現，在單級固溶480 ℃保溫5 h的情況下，復合材料 晶界處和晶內未回溶的第二相出現大幅縮減，并且未出現過燒問題，即晶粒尺寸未出現明顯的擴大[7]。出于嚴謹起見，本次研究又將固溶溫度提升至500 ℃，并且保溫5 h，發現復合材料內晶粒變大，再結晶現象明顯。由此可知，本次研究所采用的鋁基復合材料最佳的單級固溶熱處理方案為480 ℃固溶5 h。

3 雙級固溶與復合材料力學性能之間的關系

在雙級固溶處理技術環境下，復合材料依次經歷低溫和溫度兩個不同的階段[8]。在低溫處理環境下，基體合金內的低熔點相首先溶解，能夠避免合金在高溫環境下出現熔化或過燒問題[9]。在進入高溫處理階段后，基體內的第二相顆粒能夠得到充分溶解，使基體合金的過飽和度得到提升，這也是雙級固溶相比于單級固溶的主要優勢所在[10]。

本次研究將一級固溶溫度設定為440 ℃，將熱處理時間為3 h，復合材料在多級固溶下顯微硬度如圖1所示。

圖1 復合材料在多級固溶下顯微硬度

經實驗研究發現，在熱處理初始階段，復合材料硬度相對較低，隨著時間的增加復合材料硬度會達到最大，隨著時間的發展，其硬度又會出現一定的下降。根據顯微硬度曲線可知，復合材料硬度在440 ℃/3 h+480 ℃/2 h的情況下達到最高水平，即代表復合材料在該條件下固溶度達到最高，該狀況下的顯微硬度為110.2Hv。

在雙級固溶熱處理過程中，本次研究將一級固溶熱處理設定為440 ℃/3 h。經實驗研究發現，在460 ℃/1 h二級固溶處理環境下，晶界處和晶內仍然存在大量第二相顆粒。在將保溫時間延長至4 h的情況下，第二相顆粒回溶量顯著提升，但晶內、晶界第二相顆粒的分布仍然不夠均勻，說明沒有達到充分回溶的處理目標[11]。因此，本次研究將第二級固溶溫度提升至480 ℃并將保濕時間設定為2 h，發現晶內與晶界處的第二相顆粒數量出現明顯下降。將保溫時間延長至4 h后，晶界與晶內第二相顆粒又出現顯著下降，即在延長保溫時間的過程中，復合材料內第二相粒子充分回溶，同時也未出現晶粒尺寸明顯擴大的問題。

另外，在二級固溶溫度達到460 ℃的情況下，隨著固溶時間的增加，合金硬度值會出現明顯的提升，但提升效果并不顯著。在采用440 ℃/3 h+480 ℃/2 h固溶熱處理方案的情況下，發現該狀況下的顯微硬度為110.2 Hv并達到最高水平。在二級固溶時間持續增加的過程中，合金硬度又出現下降趨勢，晶粒面積隨之擴大。也就是說，在440 ℃/3 h+480 ℃/2 h固溶環境下，第二相顆粒與基本之間能夠達到最高水平的溶合，并且不會明顯擴大合金晶粒組織。該實驗結果證實了“復合材料硬度在440 ℃/3 h+480 ℃/2 h的情況下達到最高水平”這一結論。

4 結 語

本文從提高鋁基復合材料熱處理羽毛球拍桿力學性能的角度出發，闡述了常規單級固溶熱處理的具體方法以及最佳的熱處理溫度和熱處理時長。為進一步強化熱處理效果并彌補單級處理所存在的不足，提出了二級熱處理的解決方案。在未來的研究工作中，還可以進一步針對多級熱處理方案進行更加深入的研究，并將研究成果應用于對力學性能有更高要求的運動器材。