(TiB2+Al3Ti)增强铝基复合材料的研制

2011-01-26张保林

时代农机 2011年7期

张保林

（陕西工业职业技术学院材料工程学院，陕西咸阳 712000）

1 试验

（1）试验材料。采用熔体直接反应来制备复合材料，基体合金为ZL102，原位反应物为KFB4和K2TiF6粉末。

（2）试验方法。将KFB4和 K2TiF6粉末混合，为了降低样品的气孔率，对混合粉末进行预处理。首先将按一定比例配好的KFB4和K2TiF6粉混合后在高能球磨机上球磨1h，其球磨速度为400r/min。将球磨后的混合粉末在万能材料试验机上压坯，其表面压力为10MPa。然后把压块在300℃保温2h，以去除压块中的杂质、有机物和水蒸气。将一定质量的ZL102在电阻炉中加热到950℃，保温30min，再将所压得的坯料加入熔体中，用压勺将坯料压入熔体内，使之与Al熔体充分发生反应，并不断搅拌，当反应完成后，在熔体温度降至760℃时加入精炼剂进行精炼除气，精炼后扒去氧化皮和熔渣，均匀地撒上一层粉状变质剂，搅拌10min。再将熔体表面的渣扒去，当熔体温度降至730℃时出炉浇注到金属模型。

2 结果与分析

复合材料的凝固组织影响着它的性能，因此控制复合材料的凝固过程和组织尤为重要。对于颗粒增强铝基复合材料而言，颗粒的大小及其在基体中的分布是影响复合材料机械性能的重要因素。

（1）复合材料的相分析。图 1为（TiB2+Al3Ti）/ZL102 复合材料的X射线衍射图谱。对XRD谱的物相分析结果表明：图中存在TiB2、Al3Ti衍射峰，没有出现其他可分辨的衍射峰，说明通过原位反应法制备了TiB2和Al3Ti两相颗粒协同增强的Al-Si基复合材料。

图1 Al-Si基复合材料的X射线衍射图谱

（2）（TiB2+Al3Ti）/ZL102 制备工艺参数分析。（TiB2+Al3Ti）/ZL102复合材料的制备工艺参数采用分析对比设计值，即按能生成TiB2的质量百分数为1%和3%，来配比KFB4和K2TiF6，反应温度取1000℃和1100℃，反应时间取10min和20min。

然后用扫描电镜对两种复合材料的凝固组织进行分析，如图2所示。

（a）生成TiB2的质量百分数为 1%，反应温度取 1000℃，反应时间取10min

（b）生成TiB2的质量百分数为3%，反应温度取1100℃，反应时间取20min

图2 不同工艺参数制备的复合材料的扫描组织

由图2（a）可见，当加入能生成TiB2的质量百分数为1%的KFB4和K2TiF6反应混合物，反应温度取1000℃，反应时间取10min时，生成的增强颗粒多，颗粒细小，分布均匀，Al3Ti没有聚集，对基体材料没有割裂作用，所以，此时复合材料的综合力学性能比较优异。由图2（b）可见，当加入能生成TiB2的质量百分数为3%的KFB4和K2TiF6反应混合物，反应温度取1100℃，反应时间取20min时，生成的增强颗粒尺寸明显减小，但是增强颗粒数目反而减少，Al3Ti大量聚集，尺寸较大，对基体材料有破坏作用。

由图 2（a）（b）对比可以看到，反应 10min 时，增强颗粒在熔体中的分布已经十分均匀，颗粒尺寸细小，扩散过程基本结束。当反应20min时，由于反应时间的延长，使得颗粒不断长大和吞并，颗粒发生团聚现象。所以，最佳反应时间为10min。

由图 2（a）（b）对比还可以看出，当反应温度为 1000℃，增强颗粒生成已经比较多，而在1100℃时，生成的增强颗粒反而会减少，这主要是因为反应温度越高，反应体系的热量越多，过多的热量会使得增强颗粒不断长大和吞并，增强颗粒发生团聚现象，而且过高的温度会使得加料变的困难，所以，综合考虑之后，理想的反应温度选取1000℃，理想的反应物加入量为能生成1%TiB2的 KFB4和K2TiF6反应混合物。

（3）（TiB2+Al3Ti）/ZL102 的组织分析。从图 2 可以看出，在原位复合材料组织中，出现了颗粒状的TiB2和条状的Al3Ti，TiB2尺寸细小，大部分为粒状，条状的Al3Ti长度约为10 μm，由于生成的增强颗粒粒化程度高，共晶硅对基体的连续性破坏作用很小，所以，（TiB2+Al3Ti）/ZL102原位复合材料的力学性能高于ZL102基体材料。除此之外，原位复合材料的晶体内并没有产生偏聚组织，组织的形状有点接近原球状，这可以有效避免应力集中的产生。这使得复合材料力学性能更进一步提高。