基于鋁基復(fù)合材料熱處理羽毛球拍桿性能分析

李維強(qiáng)

(陜西國際商貿(mào)學(xué)院, 陜西 西安 712046)

鋁基復(fù)合材料在我國有著十分廣泛的應(yīng)用，鋁也是地殼中儲存量最多、分布最為廣泛的金屬元素之一，將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于運(yùn)動器材中可以大幅強(qiáng)化運(yùn)動器材的使用壽命與力學(xué)性能[1]。對于羽毛球拍來說，羽毛球拍桿是最主要的受力部位，該部位力學(xué)性能的強(qiáng)化需要從提升基體界面與增強(qiáng)顆粒之間的結(jié)合度入手[2]，本次研究所采用的強(qiáng)化方法為熱處理技術(shù)。

1 鋁基復(fù)合材料的熱處理方法

本次研究通過單級固溶和雙級固溶兩種手段對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，所采用的鋁基復(fù)合材料為Al3Ti/7075。其中，單級固溶處理分別采用三種處理方案，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；雙組固溶處理分別采用兩種處理方案，即一級固溶處理440 ℃/3 h，二級固溶處理460 ℃/1 h,1.5 h,2 h,2.5 h,3 h,3.5 h,4 h+水淬。二級固溶處理440 ℃/3 h，二級固溶處理480 ℃/1 h,1.5 h,2 h,2.5 h,3 h,3.5 h,4 h+水淬。

2 單級固溶與復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系

2.1 固溶溫度與復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系

經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，在460 ℃固溶1 h的情況下，由于固溶溫度不高，晶界上和晶粒內(nèi)存在許多第二相粒子，基體合金與這些粒子之間的溶合不夠充分。溫度的不斷升高會顯著增長第二相粒子的回溶數(shù)量[3]，晶界上和晶粒內(nèi)中的第二相粒子數(shù)量持續(xù)降低。在固溶處理溫度達(dá)到480 ℃的情況下，鋁基復(fù)合材料晶粒組織開發(fā)收縮，未出現(xiàn)晶粒顯著擴(kuò)大的現(xiàn)象，但仍然存在一定未回溶到基本內(nèi)的第二相粒子。在固溶溫度進(jìn)一步增加的過程中，晶粒會隨之?dāng)U大，一定程度上降低了材料的硬度[4]，合金內(nèi)部持續(xù)流失過剩相，并降低彌散強(qiáng)化效果[5]。由此可知，合金的強(qiáng)度同時受到強(qiáng)化與弱化兩方面因素的作用，在單級固溶熱處理工藝下，將固溶溫度設(shè)定在480 ℃可以最大程度上提升基本界面與增強(qiáng)顆粒之間的結(jié)合度。

2.2 固溶時間與復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系

本次研究雖然已經(jīng)確認(rèn)了480 ℃為單級固溶熱處理鋁基復(fù)合材料的最佳溫度，但在固溶處理時間較短的情況下，仍然會存在一部分未溶第二相，這就需要適當(dāng)增加固溶處理時間[6]。經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，在單級固溶480 ℃保溫5 h的情況下，復(fù)合材料 晶界處和晶內(nèi)未回溶的第二相出現(xiàn)大幅縮減，并且未出現(xiàn)過燒問題，即晶粒尺寸未出現(xiàn)明顯的擴(kuò)大[7]。出于嚴(yán)謹(jǐn)起見，本次研究又將固溶溫度提升至500 ℃，并且保溫5 h，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)晶粒變大，再結(jié)晶現(xiàn)象明顯。由此可知，本次研究所采用的鋁基復(fù)合材料最佳的單級固溶熱處理方案為480 ℃固溶5 h。

3 雙級固溶與復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系

在雙級固溶處理技術(shù)環(huán)境下，復(fù)合材料依次經(jīng)歷低溫和溫度兩個不同的階段[8]。在低溫處理環(huán)境下，基體合金內(nèi)的低熔點(diǎn)相首先溶解，能夠避免合金在高溫環(huán)境下出現(xiàn)熔化或過燒問題[9]。在進(jìn)入高溫處理階段后，基體內(nèi)的第二相顆粒能夠得到充分溶解，使基體合金的過飽和度得到提升，這也是雙級固溶相比于單級固溶的主要優(yōu)勢所在[10]。

本次研究將一級固溶溫度設(shè)定為440 ℃，將熱處理時間為3 h，復(fù)合材料在多級固溶下顯微硬度如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料在多級固溶下顯微硬度

經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，在熱處理初始階段，復(fù)合材料硬度相對較低，隨著時間的增加復(fù)合材料硬度會達(dá)到最大，隨著時間的發(fā)展，其硬度又會出現(xiàn)一定的下降。根據(jù)顯微硬度曲線可知，復(fù)合材料硬度在440 ℃/3 h+480 ℃/2 h的情況下達(dá)到最高水平，即代表復(fù)合材料在該條件下固溶度達(dá)到最高，該狀況下的顯微硬度為110.2Hv。

在雙級固溶熱處理過程中，本次研究將一級固溶熱處理設(shè)定為440 ℃/3 h。經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，在460 ℃/1 h二級固溶處理環(huán)境下，晶界處和晶內(nèi)仍然存在大量第二相顆粒。在將保溫時間延長至4 h的情況下，第二相顆粒回溶量顯著提升，但晶內(nèi)、晶界第二相顆粒的分布仍然不夠均勻，說明沒有達(dá)到充分回溶的處理目標(biāo)[11]。因此，本次研究將第二級固溶溫度提升至480 ℃并將保濕時間設(shè)定為2 h，發(fā)現(xiàn)晶內(nèi)與晶界處的第二相顆粒數(shù)量出現(xiàn)明顯下降。將保溫時間延長至4 h后，晶界與晶內(nèi)第二相顆粒又出現(xiàn)顯著下降，即在延長保溫時間的過程中，復(fù)合材料內(nèi)第二相粒子充分回溶，同時也未出現(xiàn)晶粒尺寸明顯擴(kuò)大的問題。

另外，在二級固溶溫度達(dá)到460 ℃的情況下，隨著固溶時間的增加，合金硬度值會出現(xiàn)明顯的提升，但提升效果并不顯著。在采用440 ℃/3 h+480 ℃/2 h固溶熱處理方案的情況下，發(fā)現(xiàn)該狀況下的顯微硬度為110.2 Hv并達(dá)到最高水平。在二級固溶時間持續(xù)增加的過程中，合金硬度又出現(xiàn)下降趨勢，晶粒面積隨之?dāng)U大。也就是說，在440 ℃/3 h+480 ℃/2 h固溶環(huán)境下，第二相顆粒與基本之間能夠達(dá)到最高水平的溶合，并且不會明顯擴(kuò)大合金晶粒組織。該實驗結(jié)果證實了“復(fù)合材料硬度在440 ℃/3 h+480 ℃/2 h的情況下達(dá)到最高水平”這一結(jié)論。

4 結(jié) 語

本文從提高鋁基復(fù)合材料熱處理羽毛球拍桿力學(xué)性能的角度出發(fā)，闡述了常規(guī)單級固溶熱處理的具體方法以及最佳的熱處理溫度和熱處理時長。為進(jìn)一步強(qiáng)化熱處理效果并彌補(bǔ)單級處理所存在的不足，提出了二級熱處理的解決方案。在未來的研究工作中，還可以進(jìn)一步針對多級熱處理方案進(jìn)行更加深入的研究，并將研究成果應(yīng)用于對力學(xué)性能有更高要求的運(yùn)動器材。