(TiB2+Al3Ti)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研制

張保林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

1 試驗

（1）試驗材料。采用熔體直接反應(yīng)來制備復(fù)合材料，基體合金為ZL102，原位反應(yīng)物為KFB4和K2TiF6粉末。

（2）試驗方法。將KFB4和 K2TiF6粉末混合，為了降低樣品的氣孔率，對混合粉末進(jìn)行預(yù)處理。首先將按一定比例配好的KFB4和K2TiF6粉混合后在高能球磨機(jī)上球磨1h，其球磨速度為400r/min。將球磨后的混合粉末在萬能材料試驗機(jī)上壓坯，其表面壓力為10MPa。然后把壓塊在300℃保溫2h，以去除壓塊中的雜質(zhì)、有機(jī)物和水蒸氣。將一定質(zhì)量的ZL102在電阻爐中加熱到950℃，保溫30min，再將所壓得的坯料加入熔體中，用壓勺將坯料壓入熔體內(nèi)，使之與Al熔體充分發(fā)生反應(yīng)，并不斷攪拌，當(dāng)反應(yīng)完成后，在熔體溫度降至760℃時加入精煉劑進(jìn)行精煉除氣，精煉后扒去氧化皮和熔渣，均勻地撒上一層粉狀變質(zhì)劑，攪拌10min。再將熔體表面的渣扒去，當(dāng)熔體溫度降至730℃時出爐澆注到金屬模型。

2 結(jié)果與分析

復(fù)合材料的凝固組織影響著它的性能，因此控制復(fù)合材料的凝固過程和組織尤為重要。對于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料而言，顆粒的大小及其在基體中的分布是影響復(fù)合材料機(jī)械性能的重要因素。

（1）復(fù)合材料的相分析。 圖 1為（TiB2+Al3Ti）/ZL102 復(fù)合材料的X射線衍射圖譜。對XRD譜的物相分析結(jié)果表明：圖中存在TiB2、Al3Ti衍射峰，沒有出現(xiàn)其他可分辨的衍射峰，說明通過原位反應(yīng)法制備了TiB2和Al3Ti兩相顆粒協(xié)同增強(qiáng)的Al-Si基復(fù)合材料。

圖1 Al-Si基復(fù)合材料的X射線衍射圖譜

（2）（TiB2+Al3Ti）/ZL102 制備工藝參數(shù)分析。 （TiB2+Al3Ti）/ZL102復(fù)合材料的制備工藝參數(shù)采用分析對比設(shè)計值，即按能生成TiB2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1%和3%，來配比KFB4和K2TiF6，反應(yīng)溫度取1000℃和1100℃，反應(yīng)時間取10min和20min。

然后用掃描電鏡對兩種復(fù)合材料的凝固組織進(jìn)行分析，如圖2所示。

（a）生成TiB2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為 1%，反應(yīng)溫度取 1000℃，反應(yīng)時間取10min

（b）生成TiB2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%，反應(yīng)溫度取1100℃，反應(yīng)時間取20min

圖2 不同工藝參數(shù)制備的復(fù)合材料的掃描組織

由圖2（a）可見，當(dāng)加入能生成TiB2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為1%的KFB4和K2TiF6反應(yīng)混合物，反應(yīng)溫度取1000℃，反應(yīng)時間取10min時，生成的增強(qiáng)顆粒多，顆粒細(xì)小，分布均勻，Al3Ti沒有聚集，對基體材料沒有割裂作用，所以，此時復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能比較優(yōu)異。由圖2（b）可見，當(dāng)加入能生成TiB2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3%的KFB4和K2TiF6反應(yīng)混合物，反應(yīng)溫度取1100℃，反應(yīng)時間取20min時，生成的增強(qiáng)顆粒尺寸明顯減小，但是增強(qiáng)顆粒數(shù)目反而減少，Al3Ti大量聚集，尺寸較大，對基體材料有破壞作用。

由圖 2（a）（b）對比可以看到，反應(yīng) 10min 時，增強(qiáng)顆粒在熔體中的分布已經(jīng)十分均勻，顆粒尺寸細(xì)小，擴(kuò)散過程基本結(jié)束。當(dāng)反應(yīng)20min時，由于反應(yīng)時間的延長，使得顆粒不斷長大和吞并，顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。所以，最佳反應(yīng)時間為10min。

由圖 2（a）（b）對比還可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為 1000℃，增強(qiáng)顆粒生成已經(jīng)比較多，而在1100℃時，生成的增強(qiáng)顆粒反而會減少，這主要是因為反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)體系的熱量越多，過多的熱量會使得增強(qiáng)顆粒不斷長大和吞并，增強(qiáng)顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，而且過高的溫度會使得加料變的困難，所以，綜合考慮之后，理想的反應(yīng)溫度選取1000℃，理想的反應(yīng)物加入量為能生成1%TiB2的 KFB4和K2TiF6反應(yīng)混合物。

（3）（TiB2+Al3Ti）/ZL102 的組織分析。 從圖 2 可以看出，在原位復(fù)合材料組織中，出現(xiàn)了顆粒狀的TiB2和條狀的Al3Ti，TiB2尺寸細(xì)小，大部分為粒狀，條狀的Al3Ti長度約為10 μm，由于生成的增強(qiáng)顆粒粒化程度高，共晶硅對基體的連續(xù)性破壞作用很小，所以，（TiB2+Al3Ti）/ZL102原位復(fù)合材料的力學(xué)性能高于ZL102基體材料。除此之外，原位復(fù)合材料的晶體內(nèi)并沒有產(chǎn)生偏聚組織，組織的形狀有點接近原球狀，這可以有效避免應(yīng)力集中的產(chǎn)生。這使得復(fù)合材料力學(xué)性能更進(jìn)一步提高。

3 結(jié)論

（1）原位反應(yīng)法是制備原位（TiB2+Al3Ti）鋁基復(fù)合材料的一種有效方法,采用此法制備出了顆粒分布均勻組織致密的復(fù)合材料。

（2）在實驗的基礎(chǔ)上,對原位（TiB2+Al3Ti）鋁基復(fù)合材料制備工藝中的反應(yīng)物的加入量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間3個主要問題進(jìn)行了分析探討,形成了合理的反應(yīng)工藝體系。

（3）金相顯微組織分析表明：在（TiB2+Al3Ti） /ZL102原位復(fù)合材料中，由于增強(qiáng)顆粒的原位合成，顆粒粒化程度高，共晶硅對基體的連續(xù)性破壞作用很小，所以，（TiB2+Al3Ti）/ZL102原位復(fù)合材料的力學(xué)性能高于ZL102基體材料。