原位合成Al-Cu-xTiB2鋁合金復合材料組織及性能研究

嚴衛才，張 偉，于長富，劉兆偉，楊 路

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

目前，顆粒增強鋁基復合材料在全球眾多領域尤其是在航空、航天、交通運輸等行業中得到越來越廣泛的應用[1]。根據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小彌散的增強顆粒從而優于外加法[2]。在原位自生法中，與SiC、Al2O3等增強顆粒不同，TiB2顆粒具備高硬度、高熔點、腐蝕性良好、耐磨性優越等優點。同時，原位自生法制備的顆粒增強復合材料具有穩定程度高、易于二次加工、制備工藝相對簡潔、結合強度高、生成TiB2顆粒細小等特點，目前受到很多研究者的重視[3]。

采取復合強化，即向基體中添加增強顆粒，是進一步提高鑄造鋁合金強度的重要手段之一。增強顆粒的引入會很好地提高材料的力學性能，增強的程度取決于顆粒的性能，但不意味著添加顆粒體積分數越多越好[4]。Al-Cu系合金是工業上應用最早也是使用最多的鑄造合金之一，應用很廣泛[5]。Mandal A等[6]成功制備Al-4Cu-xTiB2原位復合材料，隨著TiB2含量的增加，其強度不斷增加。張磊等[7]采用混合鹽反應制備了原位TiB2顆粒增強Al-4.5Cu復合材料，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顆粒復合材料。因此本試驗選用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數亞微米級TiB2顆粒增強鋁基復合材料，并對其微觀組織及拉伸性能進行了探討，以得到最合適的制備方法，同時對其增強機理進行了分析與總結。

1 試驗方法

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

設計原位TiB2顆粒的含量（質量分數）分別為2%、5%、8%和11%，以得到不同TiB2顆粒含量增強的2524鋁合金復合材料。具體試驗步驟如下：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，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，并立即用已預熱的石墨攪拌器充分攪拌；每次加入混合鹽后保溫1 h，保溫期間需進行多次攪拌；隨后添加Al2O3粉末同時通氬氣進行除渣；除渣后加入少量99.99%的純Al和純Mg以補充化學反應時的消耗；降溫穩定至（730±3）℃后澆入φ80 mm×300 mm的石墨模具，最終制得xTiB2-2524鋁合金復合材料。最后對其進行（470℃+12 h）均勻化處理。

表1 2524鋁合金化學成分（質量分數/%）

2 試驗結果與分析

2.1 微觀組織

圖1為不同TiB2含量2524鋁合金復合材料鑄態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化相存在于基體中，但也會切割基體，造成材料力學性能的下降。觀察圖1（b）會發現鑄錠經過均勻化處理之后，網狀分布的非平衡共晶組織基本熔斷，分離成小塊狀，且晶粒內彌散相析出[9]。

圖1 2524-xTiB2鋁合金復合材料鑄態和均勻化后微觀組織及晶粒度

對于使用顆粒增強方式強化鋁基復合材料來說，增強顆粒的大小、形狀及分布程度在很大程度上影響著復合材料的力學性能。通過觀察可以發現原位生成的TiB2顆粒主要在2524鋁合金基體中沿晶分布，可促進沿晶分布的Al2Cu相由網狀向顆粒狀轉變。顆粒狀Al2Cu對于合金基體可以起到很好的強化作用。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TiB2引入量達到11%，基體中開始出現明顯的TiB2顆粒團簇現象。TiB2顆粒的團簇會切割基體，降低增強效果，使材料的機械性能變差[10]。同時，隨著TiB2顆粒的添加，2524鑄態合金中存在的枝晶逐漸消失且鑄態不規則晶粒轉變為等軸晶，晶粒開始明顯細化，其級別從3級增加到4.5級。

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鋁合金經均勻化后的SEM照片，里面含有沿晶分布的灰色析出相。經1 000倍放大后可以發現，這些灰色析出相由小顆粒狀物質構成，鑄態合金中粗大第二相經均勻化后會分解、斷裂為細小相。從表2中A點的EDS能譜可知，A點主要含有Al、Cu等元素，可推測其主要是Al2Cu析出相。由圖2（d）可以知道，當通過原位反應后，合金中會出現一種新的細小顆粒狀析出相，通過表2中B點的EDS結果可以推測就是添加的TiB2顆粒。這種彌撒分布的TiB2將會很好地增強基體強度。觀察圖2（c）、（d）和（f）發現，隨著混合鹽添加的增多，合金中的TiB2越來越多。當添加量達到11%時，合金中TiB2顆粒團簇現象越來越多，會造成合金性能降低。

圖2 均勻化后xTiB2-2524鋁合金復合材料的SEM圖

表2 圖2中A、B點的EDS能譜分析結果

2.2 拉伸性能

如圖3所示，隨著增強顆粒體積分數的增大，TiB2-2524合金復合材料的抗拉強度得到明顯改善且增大。當TiB2添加量為2%時，強度變化不明顯，但隨著其體積分數進一步增加到5%和8%時，材料的抗拉強度為255.7 MPa和274.4 MPa，分別提高了約6.3%和14%。當增強相體積分數進一步增大到11%時，強度開始下降。TiB2-2524復合材料的延伸率相對下降并不明顯，分別只下降了2.4%、3.9%、8.6%和10.3%。

圖3 2524鋁合金復合材料均勻化后的拉伸性能

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

圖4 2524鋁合金復合材料均勻化后拉伸斷口形貌

3 結論

（1）通過混合鹽原位反應，成功制得TiB2-2524鋁合金復合材料。隨著TiB2顆粒添加的增多，2524鋁合金晶粒明顯細化，晶粒度由3級增加到4.5級，且可促進沿晶分布的Al2Cu相由網狀向顆粒狀轉變。TiB2粒子可以均勻分布在2524鋁合金基體內，當添加量達到11%時，合金中TiB2顆粒團簇現象明顯增多。

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

（3）隨TiB2含量的提高，2524鋁合金復合材料的斷口形狀從拉長式韌窩轉變為等軸式韌窩，韌窩深度逐漸變淺。