转喷微注法制备纳米Al2O3/7075铝基复合材料的组织及性能研究

吴瑞瑞，李秋书，袁　铮，李建文

（太原科技大学，山西太原 030024）

转喷微注法制备纳米Al2O3/7075铝基复合材料的组织及性能研究

吴瑞瑞，李秋书，袁铮，李建文

（太原科技大学，山西太原 030024）

采用转喷微注法制备纳米氧化铝颗粒增强铝基复合材料，将纳米Al2O3颗粒通过氩气微量注入熔融态7075铝合金中，同时对金属液加载旋转的机械搅拌，实现喷吹与搅拌相结合的方法。由微观组织可知，纳米颗粒在铝合金基体中分布均匀，且随着转喷微注时间的增长，复合材料的晶粒尺寸不断减小，复合材料的硬度及拉伸性能均得到改善。

转喷微注；复合材料；组织；力学性能

目前复合材料应用最广泛的就是颗粒增强型复合材料，但在工业上大规模生产仍然面临许多的困难。由于颗粒增强体和基体间的润湿角一般都很大，所以使得增强体和基体不能很好地结合［1-3］。这也导致颗粒增强型复合材料不能够用传统的铸造方法得到。因为通过传统的铸造方法，得到的复合材料内部因为颗粒增强体的大量团聚，复合材料反而不如基体材料的力学性能。另外，增强体颗粒一般都很小，尤其纳米陶瓷颗粒，其非常高的表面能进一步促进了纳米颗粒的团聚，达不到阻碍位错在基体内部滑移的效果，也会导致颗粒物和基体间的结合失败，进而弱化复合材料的力学性能［4，5］。

本文提出的转喷微注法，将纳米微粒连续微量转喷至铝合金熔体中，达到时间和空间的异同性，实现纳米级微粒的弥散分布，解决其在合金中的团聚问题。同时转喷微注法可以制备大比例陶瓷增强相的高强耐磨铝基合金材料，实现铝基陶瓷抗磨材料制备工艺的简单化，以降低制造成本，应用前景相当广阔，在技术上也是复合材料制备方法的一大进步。

1　试验方法

实验采用商业7075铝合金（化学成分表1）及纳米级氧化铝颗粒为原材料，将纳米Al2O3颗粒通过转喷微注法加入到7075铝合金基体中，并对其微观组织和力学性能进行检测。

表1　7075的化学成分（质量分数，%）

试样经抛光后，用凯勒试剂（2 ml HF+3 ml HCl+5 ml HNO3+190 ml H2O）腐蚀，采用SEM对复合材料的组织和Al2O3的形貌及分布情况进行分析。硬度采用布氏硬度硬度计，拉伸性能采用室温拉伸实验的设备为inspekt 100 table电子万能材料试验机，实验过程中使用0.75 mm/min的拉伸速度。

2　结果与分析

图1a）为铸态7075铝合金的微观组织，图1b～图1d）为转喷微注时间为（10 min，20 min，30 min）的铝基复合材料的金相组织。由图可知纳米级氧化铝颗粒的加入对细化晶粒尺寸有很大的影响，随着转喷微注时间的增加，氧化铝的质量分数变化为0.5%，1%，1.5%，期间复合材料的晶粒尺寸不断减小，这是因为氧化铝颗粒在凝固过程中可以作为形核质点［6，7］，而在搅拌的过程中可以促使氧化铝颗粒与基体的结合［8、9］。随着氧化铝颗粒的增加晶粒不断细化，组织中的点状颗粒物不断增多，点状物可能为氧化铝颗粒，这说明转喷微注法能将氧化铝颗粒均匀分散到7075铝合金基体中。

图1　铸态7075铝合金微观组织

图2为转喷微注30min复合材料的XRD图谱，X衍射分析可知：合金中的相主要为α-Al，同时还有氧化铝相存在。

图3为复合材料的SEM图片，图3a）中均匀分布的白色颗粒，经EDS分析，如图3b）所示，中可以看出，主要为Al元素和O元素，这说明白色颗粒物主要为氧化铝，且没有观察到团聚现象。但从基体组织中可以明显看到，材料中存在空隙，这主要是由于在搅拌与喷吹过程中，气体残留在在复合材料基体中。

图2复合材料XRD图谱

图3复合材料SEM

表2为复合材料的力学性能。从表中可以看出，随着复合材料中的氧化铝颗粒质量分数的增加，复合材料样品的硬度和强度都在不断增加，这说明使用转喷微注法加入的纳米Al2O3颗粒对7075铝合金基体有一定的强化作用。复合材料的力学性能的提高主要取决于其晶粒细化作用，氧化铝颗粒可作为异质形核的核心，同时在受力情况下能够阻碍位错的运动［10］，从而使复合材料的力学性能得到改善。

表2　复合材料的力学性能

3结论

提出了一种新的复合材料制备工艺，将纳米Al2O3颗粒通过氩气微量注入熔融态7075铝合金中，同时对金属液加载旋转的机械搅拌，实现喷吹与搅拌相结合的方法。通过控制转喷微注时间制备不同含量的纳米氧化铝颗粒增强铝复合材料，由微观组织可知，纳米颗粒在铝合金基体中分布均匀，且随着转喷微注时间的增长，复合材料的晶粒尺寸不断减小，复合材料的硬度及拉伸性能均得到改善。

［1］ 沈明杰．不同尺寸SiCp增强AZ31B镁基复合材料的制备及组织性能［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

［2］ 黄永攀，李道火，王锐，黄伟.铸造法制备颗粒增强铝基复合材料及技术问题［J］.中国铸造装备与技术，2004（3）：1-3.

［3］ 闫卫平，荣福杰，宋国金，等．混合盐法制备TiB2/Al复合材料的研究现状［J］．铸造，2006，55（11）：1114-1117.

［4］ Bakshi S R，Lahiri D，Agarwal A.Carbon nanotube reinforced metal matrix composites-a review［J］.International Materials Reviews，2010，55（1）：41-64.

［5］ TjongSC.NovelNanoparticle-ReinforcedMetalMatrix Composites with Enhanced Mechanical Properties［J］.Advanced Engineering Materials，2007，9（8）：639-652.

［6］ Sajjadi S A，Ezatpour H R，Beygi H.Materials Science and Engineering：A［J］，2011，528：8765-8771.

［7］ Mazahery A，Shabani M O.Transactions of Nonferrous Metals Society of China［J］，2012（22）：275-280.

［8］ Deng K K，Wu K，Wang X J，Wu Y W，Hu X S，Zheng M Y，Gan W M，and Brokmeier H G.Materials Science and Engineering：A ［J］，2010，527，1630-1635.

［9］ Wang X J，Wu K，Zhang H F，Huang W X，Chang H，Gan W M，Zheng M Y，Peng D L.Materials Science and Engineering：A ［J］，2007，465：78-84.

［10］ 王爱琴，韩辉辉，谢敬佩，王文焱.粉体粒径级配比对粉末冶金SiCp/6061Al复合材料组织与性能的影响［J］.粉末冶金材料科学与工程 2015（5）：738-745.

Microstructure and Mechanical Properties of Nano Al2O3/7075 Aluminum Matrix Composites Fabricated by Rotary Stirring-injection Process

WU Rui-rui，LI Qiu-shu，YUAN Zheng，LI Jian-wen
（Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China）

In this paper nano-sized Al2O3particles reinforced aluminum composites was fabricated by Rotary Stirring-Injection process.Nano-sized Al2O3particles were injected into the molten 7075 alloy through the flow of argon gas，at the same time rotary stiring was used，the rotary stirring and little injection process were carried out simultaneously.The microscopic examinations showed a homogeneous distribution of particles，grains size of composites decreased with the Rotary stirring-injection process，the hardness and ultimate tensile strength of composites can be improved greatly.

rotary stirring-injection，composites，microstructure，mechanical property

TG146.2+1

A

文章编号：1674-6694（2016）03-0028-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.03.008

2016-04-29

吴瑞瑞（1988-），男，博士生，研究方向为金属基复合材料的制备与性能。

晋城市科技计划项目（No.201501004-13）