原位合成TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其成型技術(shù)研究.pdf

1、為了實(shí)現(xiàn)特種車輛裝備中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的高性能、輕量化、低成本，開(kāi)發(fā)新型高比強(qiáng)度、比剛度和良好耐磨性的結(jié)構(gòu)件材料是其關(guān)鍵技術(shù)之一。本文的目的是采用質(zhì)量輕、能耗小、散熱好、耐腐蝕、易加工的鋁合金，“以鋁代鋼”制備特種車輛用復(fù)雜薄壁零件。
　　目前，已開(kāi)發(fā)的鋁合金雖然能夠滿足復(fù)雜薄壁零件的鑄造成型，但難以達(dá)到其力學(xué)性能和耐磨性要求；通常的鋁基復(fù)合材料雖然能夠滿足復(fù)雜薄壁零件的性能要求，卻難以實(shí)現(xiàn)其鑄造成型。因此，解決鋁基復(fù)合材料的成型技

2、術(shù)難題，獲得高強(qiáng)度、良好耐磨性的復(fù)合材料復(fù)雜薄壁鑄件，對(duì)實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化具有重要意義。
　　論文針對(duì)目前傳統(tǒng)混合氟鹽反應(yīng)法存在的問(wèn)題，提出采用電渣熔煉工藝原位合成TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并對(duì)其鑄造成型性進(jìn)行了研究。研究?jī)?nèi)容包括：復(fù)合材料的電渣熔煉制備工藝及電渣熔煉在氟鹽反應(yīng)過(guò)程中的作用；原位自生TiB2顆粒的團(tuán)聚及沉降行為；原位合成復(fù)合材料的顯微組織及強(qiáng)化機(jī)制；復(fù)合材料擠壓鑄造成型技術(shù)。論文在TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備新方法、

3、TiB2顆粒有效分散劑的新開(kāi)發(fā)和復(fù)合材料復(fù)雜薄壁零件鑄造成型技術(shù)三個(gè)方面取得了一些創(chuàng)新性的成果，主要結(jié)論如下：
　　1.氟鹽反應(yīng)進(jìn)程受控于Al熔體對(duì)混合氟鹽的吸收以及TiAl3、AlB2向TiB2的轉(zhuǎn)化。利用電渣熔煉工藝中Al熔體與熔渣接觸面積大大增加，Al自耗電極端部的集中高溫區(qū)以及熔渣被強(qiáng)烈攪拌，加快了Al熔體對(duì)氟鹽中Ti、B元素的吸收進(jìn)程，并促使TiAl3、AlB2表層發(fā)生熔解、擴(kuò)散，加速TiAl3、AlB2向TiB2的轉(zhuǎn)化

4、進(jìn)程。
　　2.研究了電渣熔煉電流對(duì)Al熔體與氟鹽反應(yīng)過(guò)程的影響。表明，電流較低時(shí)，渣池溫度較低，Al熔體與混合氟鹽未能充分反應(yīng)；電流過(guò)高導(dǎo)致Al自耗電極熔化速率急劇增加，部分Al熔體來(lái)不及與混合氟鹽反應(yīng)。在本文試驗(yàn)條件下，600A的熔煉電流能使氟鹽中的Ti、B元素被Al熔體充分吸收，并且TiAl3、AlB2有效轉(zhuǎn)化為TiB2，制備周期由傳統(tǒng)的60min以上降至15min左右；同時(shí)，Al熔體中的夾渣被熔渣充分吸附而自動(dòng)遷移到渣池中

5、，制備的TiB2/Al復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別比傳統(tǒng)混合氟鹽反應(yīng)法制備的復(fù)合材料提高了20％和22%。
　　3. TiB2顆粒分散及沉降試驗(yàn)研究表明，CeO2添加劑可顯著改善TiB2顆粒在Al基體中的分布。隨著CeO2含量的增加，TiB2顆粒的分散性先提高而后降低，當(dāng)含量為0.5wt%時(shí)，有效抑制了TiB2顆粒的團(tuán)聚和沉降，并且在重熔狀態(tài)下顆粒仍可保持良好的分散狀態(tài)。微觀分析表明，由CeO2所生成的Ce元素被吸附于TiB2顆

6、粒表面，降低了顆粒與基體間的界面能，改善了Al熔體對(duì)TiB2顆粒的潤(rùn)濕性，揭示了改善金屬熔體/增強(qiáng)顆粒的界面能是抑制顆粒團(tuán)聚和沉降的關(guān)鍵。
　　4.選用2014硬鋁合金作為基體原位合成了TiB2/2014復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，原位自生TiB2顆粒尺寸細(xì)小，在30nm～2μm之間，在凝固過(guò)程中，尺寸較小的顆粒(<50nm)能夠滿足V>Vcr的條件，被S/L界面吞噬而均勻分布在?-Al基體中，而尺寸較大的顆粒被S/L界面推移，孤立地存在

7、于晶界附近；TiB2顆粒的主要形態(tài)為多邊形或近球形，且與基體合金界面結(jié)合良好，不存在反應(yīng)及殘留物質(zhì)；在尺寸小于100nm的TiB2顆粒周圍能觀察到明顯的應(yīng)變場(chǎng)襯度，而大于100nm的顆粒周圍存在少量位錯(cuò)。
　　5.相比2014基體鋁合金，5vol%TiB2/2014復(fù)合材料鑄態(tài)力學(xué)性能有顯著提高，伸長(zhǎng)率略有降低，其硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為113HV5、287MPa、168MPa，分別比基體合金提高了59%、33%、35%。<

8、br>　　6.通過(guò)對(duì)TiB2/2014復(fù)合材料擠壓鑄造成型性的研究表明，原位自生TiB2顆粒的引入使復(fù)合材料相比基體合金表現(xiàn)出較差的擠壓鑄造成型性。相比2014基體鋁合金，復(fù)合材料較早的開(kāi)始和完成凝固是影響復(fù)合材料擠壓鑄造成型性的主要因素；提高澆注溫度、模具溫度，縮短開(kāi)始加壓時(shí)間，有利于復(fù)合材料的擠壓鑄造成型。在本文試驗(yàn)條件下，2014基體鋁合金適合的澆注溫度、模具溫度和壓力分別為710～730℃、200℃和90MPa，而復(fù)合材料需要提

9、高到770～780℃、250℃和120MPa。實(shí)驗(yàn)表明，按照熔體從澆注溫度冷卻到液相線溫度的時(shí)間間隔與開(kāi)始加壓時(shí)間相等的方法，設(shè)計(jì)原位合成復(fù)合材料擠壓鑄造工藝參數(shù)是可行的。
　　7.隨著擠壓壓力的增加，TiB2/2014復(fù)合材料顯微組織逐漸細(xì)化，偏析減小、致密度提高、顆粒分散性得到明顯改善。當(dāng)壓力為120MPa時(shí)，復(fù)合材料顯微組織明顯細(xì)化，TiB2顆粒均勻分布在基體中。
　　8.原位自生TiB2顆粒的引入未改變基體合金的時(shí)效

10、規(guī)律，但抑制了沉淀相的析出。原位自生TiB2顆粒抑制了GP區(qū)的形成，提高了?″和?′相的熱擴(kuò)散激活能，使?″和?′相析出困難；由于增強(qiáng)顆粒引入了大量界面和一定量的位錯(cuò)，仍使復(fù)合材料較基體合金提前達(dá)到峰值時(shí)效狀態(tài)，但與基體合金相比，其時(shí)效強(qiáng)化作用不顯著。
　　9.隨著擠壓壓力的增加，TiB2/2014復(fù)合材料的力學(xué)性能逐漸提高，120MPa時(shí)力學(xué)性能較好，其在 T6熱處理狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度分別比重力鑄造復(fù)合材料提高了21

11、%、200%和7.5%。
　　10.當(dāng)壓力高于30MPa時(shí)，隨著擠壓壓力的增加，TiB2/2014復(fù)合材料的磨損率逐漸減少，120MPa時(shí)耐磨性較好；擠壓鑄造復(fù)合材料的磨損率明顯低于擠壓鑄造基體鋁合金，而且在高載荷下擠壓鑄造復(fù)合材料表現(xiàn)出更明顯的耐磨性優(yōu)勢(shì)。擠壓鑄造復(fù)合材料耐磨性的提高不僅與基體合金硬度的提高和鑄造缺陷的減少有關(guān)，而且顆粒分散性的改善也起到重要作用。
　　基于以上研究，采用擠壓鑄造工藝成功制備了高強(qiáng)度、良好耐