原位自生AlB2/6061復合材料的組織及耐磨性能

莊偉彬，孫 蕊，滿生博，王筱智，劉廣柱，劉敬福

(遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

1 前 言

顆粒增強鋁基復合材料因具有高的比強度和比剛度、良好的耐磨性能和尺寸穩定性，成為近年來金屬基復合材料的研究熱點之一[1-3]。與外加顆粒制備技術相比，原位自生復合制備技術能夠有效改善增強體與基體間的界面結合強度，近年來受到研究人員的廣泛關注[4-6]。鋁基復合材料中常見原位自生顆粒有TiB2、TiC、Al2O3和AlB2等[7]。其中，AlB2顆粒結構單一、易于制備且具有優異的性能，因此AlB2顆粒增強鋁基復合材料得到了研究人員的重視[8,9]。Koksal等[8]以Al-B2O3為反應體系，采用離心鑄造法制備了AlB2/Al復合材料，研究表明，原位自生AlB2顆粒可顯著改善復合材料的力學性能。元琳琳等[9]利用Al-B反應體系原位合成了AlB2/Al復合材料，復合材料的硬度與抗拉強度明顯高于純鋁基體，但塑性有所降低。然而，針對利用Al-KBF4反應體系原位合成顆粒增強復合材料及AlB2顆粒對6061鋁基復合材料硬度及耐磨性能影響的研究報道較少。本研究以Al-KBF4為反應體系，采用熔鹽反應法制備原位自生AlB2/6061復合材料。對比基體材料，研究了原位自生AlB2顆粒對復合材料顯微組織、硬度及耐磨性能的影響，以期為顆粒增強金屬基復合材料的進一步研究和發展提供參考。

2 實 驗

2.1 復合材料的制備

復合材料基體選用工業6061鋁合金,制備增強體原料選用市售KBF4粉，其純度為97%。采用熔鹽反應法制備原位自生AlB2/6061復合材料，制備過程如下：首先采用德國飛馳Pulverisette 7型球磨機對KBF4粉進行球磨，球料比(質量比)選用10∶1，轉速為200 r/min，球磨8 h；然后，將KBF4粉料用鋁箔包裹待用；采用帶有氬氣保護的坩堝爐，將6061鋁合金加熱熔化并將熔體升溫至900 ℃保溫，用石墨鐘罩將KBF4粉料壓入熔體中，加入量以生成質量分數為3%的AlB2來計算，機械攪拌并保溫0.5 h；待熔體降溫至720 ℃時，通過精煉和扒渣去除反應的殘余鹽，除氣后澆鑄成型，模具為石墨模具[4]。試樣的T6熱處理工藝[10]為：固溶530 ℃×6 h；時效170 ℃×10 h。

2.2 組織和性能表征

利用倒置式Axiovert 40 MAT型金相顯微鏡和日本電子JSM-7500F型場發射掃描電鏡觀察試樣的微觀組織形貌。采用島津XRD-6100型X射線衍射儀分析復合材料的物相，管電壓為40 kV，管電流為30 mA，Cu靶，掃描范圍為10°～90°，掃描速度為8(°)/min。利用奧林巴斯OLS4500型激光共聚焦顯微鏡(laer scaning confocal microscope,LSCM)觀察試樣的磨損形貌。采用HBS-3000型布氏硬度計測試試樣的硬度，壓球直徑為5 mm，負載為250 kg，每個試樣硬度值取5次測量的平均值。摩擦磨損實驗在銷盤式MMU-10G型摩擦磨損試驗機上進行，銷試樣尺寸為Φ4 mm×12 mm，盤試樣材質為GCr15，其熱處理后硬度為HRC 58～62。采用失重法[11]按式(1)來計算試樣的比磨損率W：

(1)

M=M1-M2

(2)

S=πdtn

(3)

式中，W為比磨損率，kg·N-1·m-1；M為實驗前后試樣的質量差，kg；F為實驗法向載荷，100 N；S為磨損實驗總行程，m；M1為試樣磨損前質量，kg；M2為試樣磨損后質量，kg；d為試樣磨痕軌道的直徑，2×10-2m；t為磨損時間，5 min；n為轉速，200 r/min。

3 結果與討論

3.1 反應體系的吉布斯自由能

在Al-KBF4反應體系中，可能發生以下(4)～(6)的反應：

3Al(l)+2KBF4→2KAlF4+AlB2

(4)

12KBF4+13Al(l)→AlB12+12KAlF4

(5)

AlB12+5Al(l)→6AlB2

(6)

采用吉布斯自由能函數法[12]計算Al-KBF4體系在700～1200 K范圍內，反應(4)、反應(5)和反應(6)的標準反應吉布斯自由能，計算結果如圖1所示。由圖1可見，3個反應的標準反應吉布斯自由能均小于0，即3個反應均能自發進行。與反應(5)和反應(6)相比，反應(4)的標準反應吉布斯自由能最小，即反應(4)最易發生，可生成穩定AlB2。

圖1 Al-KBF4體系不同反應的標準反應吉布斯自由能Fig.1 Standard reaction Gibbs free energy of different reactions in the Al-KBF4 system

3.2 復合材料的顯微組織

圖2為原位自生3% AlB2/6061復合材料的XRD圖譜。可見，除了有Al的衍射峰外，還在2θ角分別為27.4°，34.4°，44.5°，56.5°和61.7°處出現了AlB2的衍射峰。除此之外，未發現其它物相的衍射峰。由此說明，利用本研究的制備工藝，可在6061鋁合金基體中直接合成AlB2顆粒，且無明顯中間相殘留。

圖3為原位自生3% AlB2/6061復合材料與基體材料的顯微組織對比。可以看出，原位自生3% AlB2/6061復合材料的晶粒顯著細化。在復合材料凝固過程中，原位自生AlB2顆粒可作為異質形核質點，使得復合材料更易得到細小晶粒[4]。原位自生AlB2顆粒對大角度晶界有一定的釘扎作用，促使再結晶形核，進一步細化復合材料的晶粒，使復合材料的性能獲得提高[13]。

圖2 原位自生3% AlB2/6061復合材料的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composite

圖3 基體(a)與原位自生3% AlB2/6061復合材料(b)的顯微組織對比Fig.3 Microstructure comparison of matrix (a)and in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composite (b)

圖4為原位自生3% AlB2/6061復合材料顯微組織的SEM照片。由圖4a可見，復合材料中AlB2顆粒分散較均勻，無嚴重團聚，顆粒尺寸為0.5～2.0 μm。圖4b為圖4a的局部放大圖，清晰可見AlB2顆粒呈規則六邊形。

3.3 復合材料的性能

3.3.1 復合材料的硬度

圖5為原位自生3% AlB2/6061復合材料和6061基體材料的硬度對比。可以看出，經T6熱處理后，6061基體材料的平均硬度為HB 94.1，原位自生3% AlB2/6061復合材料的平均硬度為HB 119.1，復合材料硬度相較于6061基體提高了26.57%。

圖4 原位自生3% AlB2/6061復合材料的SEM照片：(a)整體形貌，(b)AlB2顆粒放大圖Fig.4 SEM images of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composites:(a)integral microstructure,(b)magnification of AlB2 particles

圖5 原位自生3% AlB2/6061復合材料與基體材料的硬度對比Fig.5 Hardness comparison of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composite and matrix

3.3.2 復合材料的耐磨性能

經測試計算得，復合材料比磨損率為1.83×10-8kg·N-1·m-1，6061基體比磨損率為2.23×10-8kg·N-1·m-1，復合材料比磨損率較6061基體下降了17.94%。在相同的磨損條件下，AlB2顆粒使得復合材料的耐磨性得到了明顯提高。

圖6為原位自生3% AlB2/6061復合材料與基體材料的摩擦系數曲線對比，圖中紅色橫線與縱坐標的交點數值為對應材料的平均摩擦系數。在相同磨損條件下，復合材料的平均摩擦系數為0.235，6061基體的平均摩擦系數為0.285，復合材料的平均摩擦系數降低了17.54%。AlB2顆粒使得復合材料的平均摩擦系數明顯降低，耐磨性能提高。

圖6 原位自生3% AlB2/6061復合材料(a)與基體材料(b)的摩擦系數曲線Fig.6 Friction coefficient curves of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composites (a)and matrix (b)

圖7為原位自生3% AlB2/6061復合材料與基體材料的磨損形貌對比，兩者的磨損形貌都出現了犁溝和材料脫落現象，說明兩者的磨損機制均為磨粒磨損和粘著磨損。然而，對比圖7a和圖7b可以發現，原位自生3% AlB2/6061復合材料的磨損形貌中犁溝不連續、且較細而淺，材料脫落現象不明顯，表面磨屑較少。材料的磨損量與硬度成反比，即硬度越高，耐磨性能越好[14]。由于原位合成的AlB2顆粒使得復合材料的硬度明顯提高，因此復合材料的耐磨性能也得到了明顯改善，比磨損率明顯減少，平均摩擦系數降低。此外，采用原位自生工藝制備的3% AlB2/6061復合材料中，AlB2顆粒與6061基體之間的潤濕性良好，界面結合強度高，且AlB2顆粒的硬度遠高于基體，在摩擦磨損時能夠起到承載作用，可以有效地減少磨損時復合材料與對磨材料間的接觸面積，降低了復合材料的比磨損率[14]。

圖7 原位自生3% AlB2/6061復合材料(a)與基體材料(b)的磨損形貌Fig.7 Wear morphology of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composite (a)and the matrix (b)

4 結 論

(1)采用熔鹽反應法，在900 ℃下通過向熔融鋁液中加入KBF4，可直接在6061基體材料中合成AlB2顆粒，顆粒尺寸為0.5～2.0 μm，并呈規則六邊形。

(2)經T6熱處理后，3% AlB2/6061復合材料的硬度為HB 119.1，較6061基體提高了26.57%。顯微組織觀察表明，與6061基體相比，原位自生3% AlB2/6061復合材料晶粒明顯細化。

(3)原位自生3% AlB2/6061復合材料比磨損率為1.83×10-8kg·N-1·m-1，較6061基體下降了17.94%，這是由于采用原位自生工藝制備的復合材料，AlB2顆粒與基體材料之間的潤濕性好，界面結合強度高，且顆粒本身硬度高，在磨損時能夠起到承載作用，有效地減少了磨損時復合材料與對磨材料間的接觸面積，提高了復合材料的耐磨性。

(4)原位自生3% AlB2/6061復合材料的磨損機制主要為磨粒磨損和粘著磨損，其平均摩擦系數為0.235，相較于6061基體材料降低了17.54%。而且，相較于基體材料，復合材料磨損表面的犁溝變細變淺，表面磨屑減少。