原位納米TiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

李源　張承聰　田潤(rùn)東

摘要：隨著人們對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)材料得不斷探索，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也得到了很好的發(fā)展。本文對(duì)原位TiC顆粒得合成方法進(jìn)行了介紹，對(duì)原位TiC/Al的復(fù)合材料的影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。

關(guān)鍵詞：TiC顆粒;鋁合金;復(fù)合材料

簡(jiǎn)介

鋁合金作為應(yīng)用最廣泛的金屬材料之一，鋁基復(fù)合材料既有重量輕，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，優(yōu)異的耐蝕性與阻尼性能又能根據(jù)需要進(jìn)行成分設(shè)計(jì)以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用需要，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、耐磨、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域被用于替代傳統(tǒng)的鋼鐵材料[1]。

目前顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料方法為：外加法、原位內(nèi)生法、和中間合金法三種。①外加法雖工藝簡(jiǎn)單、成本低、便于大量批量生產(chǎn)，但對(duì)顆粒尺寸限制較大，而且易受外界污染，因此基體與界面的結(jié)合性也不是很理想，易于產(chǎn)生團(tuán)聚等缺陷。②原位內(nèi)生法作為新興的制備方法，很好的解決了外加法的表面污染、分布等問(wèn)題，但是這種方法無(wú)法大批量生產(chǎn)，而且對(duì)反應(yīng)過(guò)程有一定的困難。③中間合金法也是近些年才發(fā)展起來(lái)的復(fù)合材料的制備方法，即將通過(guò)內(nèi)生法制備的含有原位內(nèi)生陶瓷顆粒引入金屬基體的目的。它集中外加法和內(nèi)生法共同的優(yōu)點(diǎn)，很好的解決了兩者存在的缺點(diǎn)，并且制備方法靈活，因此受到了廣大科研工作者的重視。

1 TiC增強(qiáng)顆粒

TiC顆粒是一種最為常見的增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的陶瓷顆粒。TiC顆粒不僅具有傳統(tǒng)陶瓷顆粒的熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、彈性模量高和熱穩(wěn)定性好的等優(yōu)點(diǎn)，而且TiC易于通過(guò)內(nèi)生法制備[2]。因此，TiC顆粒作為增強(qiáng)顆粒廣泛的用于鋁基、鐵基、銅基等復(fù)合材料中。

因中間合金制備法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，Al-Ti-C體系中間合金制備TiC受到大多研究者的關(guān)注，合成TiC的方法主要有熔體反應(yīng)法，高溫自蔓延法，熱爆法三種。

（1）熔體反應(yīng)法與反應(yīng)機(jī)制

熔體反應(yīng)法原理是：將含有目標(biāo)元素（Ti、C）的原料直接加入到Al熔體中發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)獲得TiC形核粒子。該類工藝采用的Ti源主要有3種：K₂TiF₆、Al-Ti合金和金屬鈦，C源則主要為石墨顆粒。

（2）高溫自蔓延法與反應(yīng)機(jī)制

自蔓延高溫合成法（SHS）原理是利用反應(yīng)物之間高化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來(lái)合成目標(biāo)材料，當(dāng)反應(yīng)物一旦被引燃，燃燒波便會(huì)自動(dòng)向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播，直至反應(yīng)結(jié)束。有學(xué)者認(rèn)為SHS技術(shù)制備Al-Ti-C中間合金的反應(yīng)過(guò)程分為2步，第一步：Al與Ti通過(guò)放熱反應(yīng)生成Al₃Ti;第二步：體系升溫后C粉被鋁液潤(rùn)濕，并與溶質(zhì)Ti反應(yīng)生成TiC粒子。

（3）熱爆合成法及反應(yīng)機(jī)制

熱爆合成法通常是將反應(yīng)物制成壓坯，直接加入到鋁熔體中，借助熔體溫度引發(fā)反應(yīng)物之間以及反應(yīng)物與熔體間的放熱反應(yīng)過(guò)程，促進(jìn)目標(biāo)產(chǎn)物生成。有學(xué)者認(rèn)為形成TiC的過(guò)程可以分為3個(gè)階段：預(yù)制塊中鋁粉的熔化，Al₃Ti相的形成和分解，TiC顆粒的形成。張二林[3]提出生成TiC的反應(yīng)機(jī)理是“溶解—析出”，認(rèn)為Ti溶解后擴(kuò)散到碳顆粒周圍形成富Ti層，富Ti層中的Ti與C發(fā)生反應(yīng)生成TiC，并從鋁液中析出。李元元[4]對(duì)Al-Ti-C體系熱爆反應(yīng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究，認(rèn)為Al的加入可以降低Ti和C的反應(yīng)溫度，初始階段副反應(yīng)所放出的熱量促使Ti和C合成反應(yīng)的發(fā)生，隨后體系溫度的急劇升高有利于Ti與C的合成反應(yīng)以及副產(chǎn)物Al₄C₃、Al₃Ti向TiC的轉(zhuǎn)變。

2 TiC納米顆粒對(duì)鋁基復(fù)合材料性能的影響

影響原位合成TiC/Al復(fù)合材料性能的因素很多，包括TiC粒子尺寸、體積分?jǐn)?shù)、分部狀況、顆粒形貌等。

當(dāng)顆粒尺寸到達(dá)納米尺寸（<100nm），奧羅萬(wàn)強(qiáng)化對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的提高起到了很大的作用。同時(shí)，奧羅萬(wàn)強(qiáng)化也可以提高抗蠕變性能和熱力學(xué)穩(wěn)定性。根據(jù)奧羅萬(wàn)強(qiáng)化機(jī)理可知納米顆粒尺寸越小，含量越多，復(fù)合材料的強(qiáng)度增加的就越大。Tong[5]等人通過(guò)控制變量方法研究了TiC顆粒的尺寸與含量對(duì)鋁基復(fù)合材料的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TiC顆粒尺寸為40nm，含量從15vol.%提高到30vol.%時(shí)，屈服強(qiáng)度從200MPa提高到350MPa。同樣的，當(dāng)納米TiC含量都為15vol.%，尺寸由80nm減小到40nm后，屈服強(qiáng)度從120MPa提高到200MPa。

對(duì)于TiC顆粒在鋁基體中的形貌轉(zhuǎn)變，吉林大學(xué)周東帥[6]采用第一原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了TiC_x顆粒從八面體到球形的轉(zhuǎn)變機(jī)制：當(dāng)x=0.5時(shí)，{111}面的表面能低于{100}面的表面能，TiC_x顆粒的生長(zhǎng)形狀為八面體;隨著x值的增加，{100}面的表面能下降速度比{111}面的快，當(dāng)x>0.625時(shí)，{100}面的表面能低于{111}面的表面能，TiC_x顆粒的生長(zhǎng)形狀開始向球形轉(zhuǎn)變。

3 總結(jié)與展望

雖然TiC顆粒作為Al基復(fù)合材料的增強(qiáng)顆粒具有可原位生成，與鋁晶格點(diǎn)數(shù)相似，顆粒細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)TiC/Al復(fù)合材料性能的研究也在不斷深入過(guò)程中仍存在不少需要有待攻克的難題，如納米尺寸的TiC顆粒容易偏聚，不易分散，現(xiàn)今有研究人員將超聲引入電磁攪拌法分散TiC顆粒，雖然有所改善，但是效果仍然不是很顯著。且應(yīng)用Al-Ti-C體系制備TiC顆粒時(shí)的副產(chǎn)物也會(huì)對(duì)基體材料的性能有所降低，所以如何控制降低副產(chǎn)物的生成也是需要有待討論的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]袁煥龍，周澤華，王澤華，仲召軍，張欣.原位合成TiC/Al復(fù)合材料研究現(xiàn)狀[J].鑄造技術(shù)，2014，35（02）：250-252.

[2]Xiaofan Du，Tong Gao，DaKui Li，Yuying Wu，Xiangfa Liu. A novel approach to synthesize SiC particles by in situ reaction in Al–Si–C alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，588.

[3]張二林，楊波，曾松巖，李慶春，馬明臻.Al-Ti-C系中反應(yīng)生成TiC機(jī)理研究[J].材料工程，1998（02）：4-6.

[4]李元元，項(xiàng)品峰，龍雁，瞿全炎.熱爆反應(yīng)原位生成TiC的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)探討[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999（12）：8-11.

[5]Tong X C，Ghosh A K. Fabrication of in situ TiC reinforced aluminum matrix composites[J]. Journal of Materials Science，2001，36：4059-4069.

[6]周東帥.納米TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料制備和組織與力學(xué)性能的研究[D].吉林大學(xué)，2014.