Al3Ti顆粒增強鋁基復合材料的制備及性能研究①

繆亞國， 陳　剛， 程卓剛

(1.江陰市產品質量監督檢驗所，江蘇 江陰　214434； 2.江蘇大學材料與工程學院， 江蘇 鎮江　212013)

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Al3Ti顆粒增強鋁基復合材料的制備及性能研究①

繆亞國1， 陳剛2， 程卓剛1

(1.江陰市產品質量監督檢驗所，江蘇 江陰214434； 2.江蘇大學材料與工程學院， 江蘇 鎮江212013)

以鋁屑和鋁合金A356為原材料，通過熔體反應法成功制備了原位顆粒增強鋁基復合材料。用掃描電子顯微鏡(SEM)，觀察和分析了鋁屑重熔組織和拉伸斷口形貌，并利用電子萬能試驗機對復合材料的力學性能進行了測試。研究結果表明，在精煉劑和超聲聯合作用下，鋁基復合材料的組織和力學性能最佳。

鋁基復合材料； Al3Ti； 制備； 性能

引　言

就目前國內鋁屑回收技術發展情況來看，大多數廠家都是采用重熔的方法回收鋁屑，回收率普遍偏低，且回收得到的合金質量不穩定[1]。在鋁屑重熔過程中，通常通過壓制鋁屑預制塊與精煉相結合的方法，旨在提高鋁屑回收率的同時穩定鋁合金的質量[2]。

顆粒增強鋁基復合材料是以鋁或鋁合金為基體，與顆粒增強體復合而成的一種新型材料，其性能主要取決于鋁合金的性能，以及增強體的特性、含量、分布、界面狀態等[3-5]。由于在基體中加入了高強度、高模量的陶瓷顆粒，因此顆粒增強鋁基復合材料一般具有很高的耐磨性、耐疲勞性、高溫穩定性、高比強度和比模量[6-7]。目前，顆粒增強鋁基復合材料已經廣泛應用于汽車制造、電子電氣、航空航天等領域，是鋁合金、鈦合金、鋼等材料的理想替代或者部分替代材料[8-9]。

1　實驗部分

1.1材料與試劑

A356鋁合金錠，鋁屑、K2TiF6粉末、Mg塊、六氯乙烷精煉劑等。

1.2實驗設備

試驗所用設備為：坩堝電阻爐、金屬模具、鐘罩、天平、攪拌器、便攜式測溫儀、超聲發生裝置、拋光機、掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜儀、萬能材料試驗機等。

1.3制備工藝

1.3.1鋁屑預處理

在鋁合金工件加工過程中，回收得到的鋁屑難免混入鐵屑、塵土、塑料、木屑和水分等，這些雜質如果不能在熔煉前進行徹底清除，將會對熔體的質量造成很大影響，其中影響最大的是鐵屑和水。

(1)鐵屑的去除方法。在熔煉過程中鐵屑會擴散進入熔體，形成貫穿晶粒的針狀脆性富鐵相，嚴重割裂材料的均一連續性，因此需要對廢鋁料進行預處理分選。去除鋁屑中的鐵屑一般選用經濟有效的磁選法，將廢鋁屑放到干凈的木板上，平攤鋪好，手拿磁體在鋁屑表面緩慢移動，同時將可見的非金屬雜質挑選出來，經過磁鐵的反復移動會將鋁屑中的鐵屑、鐵粉等除去。當磁鐵表面不再有鐵粉吸附時，說明廢鋁屑中的鋼鐵雜質已被除盡。

(2)水分和油污的去除方法。水分和油污沸點較低，可采用烘干法予以清除。將鋁屑均勻地放在烘干爐中，在200 ℃下，烘干1 h即可。

(3)預制塊的壓制。鋁屑在未經壓制的情況下直接用于重熔會造成嚴重的燒損，這樣會大大降低鋁屑的回收利用率。本文所用鋁屑壓塊采用60 MPa壓力，保壓時間60 s所得。

1.3.2鋁屑熔煉

將600 g的A356鋁合金錠放入石墨粘土坩堝中，置于 5 kW的井式電阻爐中進行熔煉。待熔體溫度達到750 ℃后，加入質量分數為1%的Mg塊，攪拌均勻后分批用鐘罩壓入300 g經過充分預熱的A356鋁合金切屑預制塊，以防止鋁屑在高溫下進一步氧化燒損。待鋁屑完全熔化后，對熔體分別進行以下處理，以作參照試驗：

(1)靜置10 min后，于730 ℃澆入金屬模具中；

(2)加入質量分數為0.3%的精煉劑，10 min后，于730 ℃澆入金屬模具中；

(3)對鋁合金熔體間歇施加高能超聲場，再加入質量分數為0.3%的精煉劑除渣，靜置10 min后，于730 ℃澆入金屬模具中。

1.3.3鋁基復合材料的制備工藝

K2TiF6粉末反應溫度一般為850～880 ℃，本試驗為達到充分反應的目的，熔體反應溫度設定為900 ℃。首先將K2TiF6粉末在300 ℃下烘烤2 h，充分去除表面水分。然后將A356鋁合金錠放入石墨坩堝中，置于5 kW的井式電阻爐中進行熔煉，按鋁屑重熔工藝獲得A356鋁合金熔體，并將熔體溫度升至900 ℃，將經烘烤的K2TiF6粉末分批用鐘罩壓入熔體中，待完全加入后，用石墨攪拌槳進行機械攪拌，使其與熔體發生反應生成Al3Ti。K2TiF6粉末加入總量按Ti占鋁熔體質量分數的1%計算。待反應結束后將熔體降溫至780 ℃，對熔體間歇施加高能超聲場，在750 ℃熔體中加入質量分數為0.3%的精煉劑，精煉5 min，最后于730 ℃澆入金屬模具中，制得鑄態原位顆粒增強鋁基復合材料。

2　結果與討論

2.1鋁屑重熔組織

如圖1所示是A356鋁合金錠與鋁屑的質量為2∶1時，獲得的重熔組織的金相照片。圖1(a)～(c)的處理工藝分別為直接重熔、精煉處理、精煉處理+超聲共同作用(Al3Ti顆粒增強鋁基復合材料)。從圖1(a)中可以看出，未經過任何處理的重熔組織含有大量的氣孔和夾雜物，氣孔和夾雜物部位極易造成應力集中而形成裂紋源，從而導致材料的失效，特別是從圖中重熔組織的紋理可以斷定，重熔效果十分差，紋理沒有規律，粗細部紊亂，基本處于無序狀態，顆粒與顆粒之間缺乏有效重組，從物理學角度講，分子與分子粘結度過低。從圖1(b)中可以看出，經過精煉K2TiF6處理后的熔體中，氣孔和夾雜物含量明顯降低。與圖1(a)相比，可以明顯看出其紋理脈絡相對較小，且有一定的規律，但是不排除部分組織紋理不規則情況。從圖1(c)中可以看出，經過精煉處理和超聲共同作用后的鋁屑熔體內含有極少量的氣孔和夾雜物，達到了除氣、除渣的最終目的，并且，從整個組織情況來看，顆粒之間緊密有序，黑色物質較少，鋁屑組織的重熔效果明顯。

圖1　A356鋁合金切屑的重熔組織的SEM照片

2.2力學性能

在本次試驗中，試樣總共分為以下幾組：A356鋁合金、鋁屑重熔、鋁屑熔體精煉、鋁屑熔體精煉+超聲(Al3Ti顆粒增強鋁基復合材料)，其中A356鋁合金為基準組試樣，鋁屑重熔、鋁屑熔體精煉、鋁屑熔體精煉+超聲為對比組或者參照組。對鋁屑重熔及A356鋁合金錠重熔澆注的拉伸試棒進行常規T6處理，然后檢測其室溫拉伸性能，結果如表1所示。

從表1中可以看出，直接重熔鋁屑制備的材料，其抗拉強度為183 MPa，伸長率為2.9%，較A356鋁合金分別降低了22.8%和39.6%。經過精煉處理的試樣，抗拉強度為215MPa，伸長率為3.8%，較A356鋁合金分別降低了9.3%和20.8%；而與直接重熔鋁屑制備的試樣強度和伸長率相比，分別增加了17.5%和31%。鋁屑熔體經過精煉和超聲處理后，抗拉強度和伸長率分別達到245 MPa和5.7%，較A356鋁合金分別增加了3.4%和18.8%；與未經任何處理的鋁屑熔體相比，Al3Ti顆粒增強鋁基復合材料抗拉強度和伸長率分別增加了33.9%和96.6%。

表1　試樣的拉伸性能

如圖2所示是鋁屑重熔試樣拉伸斷口照片。圖2(a)是未經任何處理的鋁屑重熔試樣拉伸斷口形貌，從圖中可以看出，斷口韌窩較少且很淺，多以脆性平坦區為主，斷裂形式是脆性斷裂和塑形斷裂的結合。圖2 (b)是經過精煉處理的鋁屑重熔試樣拉伸斷口形貌，和圖2(a)相比，韌窩明顯增多，這說明精煉處理降低了氧化夾雜物和氣孔的含量，脆性平坦區相對減少，斷裂形式以塑形斷裂為主，同時也有部分脆性斷裂。圖2(c)是經過精煉和超聲聯合處理的鋁屑重熔試樣拉伸斷口形貌，從圖中可以看出，韌窩更深，脆性平坦區更少，斷裂形式主要是塑形斷裂。這說明，超聲和精煉劑的聯合作用對鋁屑熔體除渣除氣有非常明顯的效果。

圖2　不同工藝處理鋁屑熔體拉伸斷口微觀形貌

3　結束語

(1)在精煉劑和超聲共同作用下，成功地制備了Al3Ti顆粒增強鋁基復合材料。從研究結果可以看出，加入精煉劑后，復合材料的氣孔和氧化夾雜物都有明顯減少；在經過精煉劑和超聲聯合作用后，Al3Ti顆粒增強鋁基復合材料的氣孔和氧化夾雜物進一步減少，在微觀組織中未見明顯的氣孔和夾雜物。

(2)通過力學性能測試及斷口分析可以得出，復合材料中的氧化夾雜物和氣孔對試樣的力學性能和斷裂形式影響明顯。

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[4]潘利文,唐景凡,林維捐,等.固-液原位反應法制備鋁基復合材料的研究進展[J].材料導報,2015,29(8):1—4.

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2016-04-26

繆亞國(1976—)，男，工程師。電話：13506160022

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