基于铝基复合材料热处理羽毛球拍杆性能分析

李维强

(陕西国际商贸学院, 陕西 西安 712046)

铝基复合材料在我国有着十分广泛的应用，铝也是地壳中储存量最多、分布最为广泛的金属元素之一，将铝基复合材料应用于运动器材中可以大幅强化运动器材的使用寿命与力学性能[1]。对于羽毛球拍来说，羽毛球拍杆是最主要的受力部位，该部位力学性能的强化需要从提升基体界面与增强颗粒之间的结合度入手[2]，本次研究所采用的强化方法为热处理技术。

1 铝基复合材料的热处理方法

本次研究通过单级固溶和双级固溶两种手段对铝基复合材料进行热处理，所采用的铝基复合材料为Al3Ti/7075。其中，单级固溶处理分别采用三种处理方案，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；双组固溶处理分别采用两种处理方案，即一级固溶处理440 ℃/3 h，二级固溶处理460 ℃/1 h,1.5 h,2 h,2.5 h,3 h,3.5 h,4 h+水淬。二级固溶处理440 ℃/3 h，二级固溶处理480 ℃/1 h,1.5 h,2 h,2.5 h,3 h,3.5 h,4 h+水淬。

2 单级固溶与复合材料力学性能之间的关系

2.1 固溶温度与复合材料力学性能之间的关系

经实验研究发现，在460 ℃固溶1 h的情况下，由于固溶温度不高，晶界上和晶粒内存在许多第二相粒子，基体合金与这些粒子之间的溶合不够充分。温度的不断升高会显著增长第二相粒子的回溶数量[3]，晶界上和晶粒内中的第二相粒子数量持续降低。在固溶处理温度达到480 ℃的情况下，铝基复合材料晶粒组织开发收缩，未出现晶粒显著扩大的现象，但仍然存在一定未回溶到基本内的第二相粒子。在固溶温度进一步增加的过程中，晶粒会随之扩大，一定程度上降低了材料的硬度[4]，合金内部持续流失过剩相，并降低弥散强化效果[5]。由此可知，合金的强度同时受到强化与弱化两方面因素的作用，在单级固溶热处理工艺下，将固溶温度设定在480 ℃可以最大程度上提升基本界面与增强颗粒之间的结合度。

2.2 固溶时间与复合材料力学性能之间的关系

本次研究虽然已经确认了480 ℃为单级固溶热处理铝基复合材料的最佳温度，但在固溶处理时间较短的情况下，仍然会存在一部分未溶第二相，这就需要适当增加固溶处理时间[6]。经实验研究发现，在单级固溶480 ℃保温5 h的情况下，复合材料 晶界处和晶内未回溶的第二相出现大幅缩减，并且未出现过烧问题，即晶粒尺寸未出现明显的扩大[7]。出于严谨起见，本次研究又将固溶温度提升至500 ℃，并且保温5 h，发现复合材料内晶粒变大，再结晶现象明显。由此可知，本次研究所采用的铝基复合材料最佳的单级固溶热处理方案为480 ℃固溶5 h。

3 双级固溶与复合材料力学性能之间的关系

在双级固溶处理技术环境下，复合材料依次经历低温和温度两个不同的阶段[8]。在低温处理环境下，基体合金内的低熔点相首先溶解，能够避免合金在高温环境下出现熔化或过烧问题[9]。在进入高温处理阶段后，基体内的第二相颗粒能够得到充分溶解，使基体合金的过饱和度得到提升，这也是双级固溶相比于单级固溶的主要优势所在[10]。

本次研究将一级固溶温度设定为440 ℃，将热处理时间为3 h，复合材料在多级固溶下显微硬度如图1所示。

图1 复合材料在多级固溶下显微硬度

经实验研究发现，在热处理初始阶段，复合材料硬度相对较低，随着时间的增加复合材料硬度会达到最大，随着时间的发展，其硬度又会出现一定的下降。根据显微硬度曲线可知，复合材料硬度在440 ℃/3 h+480 ℃/2 h的情况下达到最高水平，即代表复合材料在该条件下固溶度达到最高，该状况下的显微硬度为110.2Hv。

在双级固溶热处理过程中，本次研究将一级固溶热处理设定为440 ℃/3 h。经实验研究发现，在460 ℃/1 h二级固溶处理环境下，晶界处和晶内仍然存在大量第二相颗粒。在将保温时间延长至4 h的情况下，第二相颗粒回溶量显著提升，但晶内、晶界第二相颗粒的分布仍然不够均匀，说明没有达到充分回溶的处理目标[11]。因此，本次研究将第二级固溶温度提升至480 ℃并将保湿时间设定为2 h，发现晶内与晶界处的第二相颗粒数量出现明显下降。将保温时间延长至4 h后，晶界与晶内第二相颗粒又出现显著下降，即在延长保温时间的过程中，复合材料内第二相粒子充分回溶，同时也未出现晶粒尺寸明显扩大的问题。

另外，在二级固溶温度达到460 ℃的情况下，随着固溶时间的增加，合金硬度值会出现明显的提升，但提升效果并不显著。在采用440 ℃/3 h+480 ℃/2 h固溶热处理方案的情况下，发现该状况下的显微硬度为110.2 Hv并达到最高水平。在二级固溶时间持续增加的过程中，合金硬度又出现下降趋势，晶粒面积随之扩大。也就是说，在440 ℃/3 h+480 ℃/2 h固溶环境下，第二相颗粒与基本之间能够达到最高水平的溶合，并且不会明显扩大合金晶粒组织。该实验结果证实了“复合材料硬度在440 ℃/3 h+480 ℃/2 h的情况下达到最高水平”这一结论。

4 结 语

本文从提高铝基复合材料热处理羽毛球拍杆力学性能的角度出发，阐述了常规单级固溶热处理的具体方法以及最佳的热处理温度和热处理时长。为进一步强化热处理效果并弥补单级处理所存在的不足，提出了二级热处理的解决方案。在未来的研究工作中，还可以进一步针对多级热处理方案进行更加深入的研究，并将研究成果应用于对力学性能有更高要求的运动器材。