TiB2颗粒增强铝基复合材料的制备及组织性能研究

王海鹏++孙权++刘少军

一、试验材料

1.1 化学成分

1.2 微观组织

图1为原位合成TiB2颗粒增强铝基复合材料显微组织照片。由图1（a）可知，提供的合金中存在大量的颗粒状物相，且多分布于晶界处。在图1（b）中发现，晶界处主要存在两种物相：微粒状物相（标记为A，尺寸为5μm）与团块状物相（标记为B，尺寸为40μm）。对其进行能谱分析测得，A物相中包括AlCu2与Al2O3相，而B物相为（Ti，Al，Si）相。但是，无法在试样中找到TiB2相与共晶Si相。

推测，合金中的Ti原子并未与B原子结合生成TiB2相，反而与Al、Si原子结合生成（Ti，Al，Si）相，这也是合金中共晶Si相消失的原因。

进一步对试样进行能谱分析，如图2所示。发现α-Al基体中固溶有少量的Cu元素，同时发现少量块状的Si相，能谱分析发现里面含有Al与Ti元素，近似于（Ti，Al，Si）相生成的中间阶段。值得注意的是，原材料试样内部铸造缺陷（如气孔夹杂）较多，推测其未经过精炼处理。

二、试验方法

熔炼合金锭的总质量为100kg。精炼后静置一段时间后，平稳浇注，浇注过程中一定要控制发气量，避免纳米颗粒消失。其中精炼温度为750～760℃，浇注温度为740～750℃，精炼剂为0.5%的六氯乙烷和0.2%的TiO2。实验中共浇注金属型试棒和砂型试棒各20根，如图3和图4所示。热处理制度为：固溶520℃/8h，水淬；双级时效120℃/1h+170℃/6h。

三、试验结果及讨论

3.1 化学成分

浇注试棒前，取少量金属液待其凝固后测定该铝基复合材料的化学成分。化学成分测定结果见表2。

3.2 微观组织

图5为第一次重熔浇注试棒的微观组织照片。由图5（a）可知，第一次重熔后合金中同样含有数量较多的颗粒状物相，分布较重熔前原始组织（图1（a））更加不规则。由图5（b）可知，试样中主要含有针片状物相（尺寸约为50μm）和尺寸较小（5μm）的颗粒状物相。经能谱分析得知：针片状物相为共晶Si相，颗粒状物相主要含有AlCu2相与TiAl相（含少量Fe元素）。此外检测到试样中有少量AlB化合物（见图6），但并未检测到TiB2相的存在。推测重熔的过程使得B元素得到更高的自由能，但是由于含量太少，無法满足生成TiB2相的动力学条件，使得熔体中少量的B原子只能与Al原子结合生成AlB化合物。

3.3 力学性能

铸态试棒及经热处理后试棒的室温拉伸性能分别见表3和表4。

3.4 断口分析

经热处理后的金属型试棒和砂型试棒的拉伸断口形貌如图7和图8所示，分别对应表4中的1#试棒和5#试棒。可以看出，两种试棒的断口上均无明显韧窝，属于典型的脆性断裂。

实验中得到的铝基复合材料经热处理后，力学性能与供方提供数据相差较大，可能与精炼具体操作工艺及精炼过程中使用的精炼剂有关。实验过程中，使用的精炼剂（0.5%的六氯乙烷和0.2%的TiO2）可能造成精炼过程中发气量较大，导致纳米颗粒的消失。

五、结论

（1）提供原始材料组织中Ti元素多参与形成（Ti，Al，Si）相，导致TiB2相含量较少。

（2）氩气Ar精炼可导致合金中粒子的减少，推测在旋转除气过程中气泡的逸出带出了大量的粒子。

（3）重熔+六氯乙烷精炼可增大B元素自由能，此时若Ti、B元素足够含量的话，可生成TiB2粒子，可做进一步试验验证。endprint