原位合成TiB2增強鋁基復合材料及其成型技術研究.pdf

1、為了實現(xiàn)特種車輛裝備中大型復雜結構件的高性能、輕量化、低成本，開發(fā)新型高比強度、比剛度和良好耐磨性的結構件材料是其關鍵技術之一。本文的目的是采用質量輕、能耗小、散熱好、耐腐蝕、易加工的鋁合金，“以鋁代鋼”制備特種車輛用復雜薄壁零件。
　　目前，已開發(fā)的鋁合金雖然能夠滿足復雜薄壁零件的鑄造成型，但難以達到其力學性能和耐磨性要求；通常的鋁基復合材料雖然能夠滿足復雜薄壁零件的性能要求，卻難以實現(xiàn)其鑄造成型。因此，解決鋁基復合材料的成型技

2、術難題，獲得高強度、良好耐磨性的復合材料復雜薄壁鑄件，對實現(xiàn)車輛的輕量化具有重要意義。
　　論文針對目前傳統(tǒng)混合氟鹽反應法存在的問題，提出采用電渣熔煉工藝原位合成TiB2增強鋁基復合材料，并對其鑄造成型性進行了研究。研究內容包括：復合材料的電渣熔煉制備工藝及電渣熔煉在氟鹽反應過程中的作用；原位自生TiB2顆粒的團聚及沉降行為；原位合成復合材料的顯微組織及強化機制；復合材料擠壓鑄造成型技術。論文在TiB2增強鋁基復合材料制備新方法、

3、TiB2顆粒有效分散劑的新開發(fā)和復合材料復雜薄壁零件鑄造成型技術三個方面取得了一些創(chuàng)新性的成果，主要結論如下：
　　1.氟鹽反應進程受控于Al熔體對混合氟鹽的吸收以及TiAl3、AlB2向TiB2的轉化。利用電渣熔煉工藝中Al熔體與熔渣接觸面積大大增加，Al自耗電極端部的集中高溫區(qū)以及熔渣被強烈攪拌，加快了Al熔體對氟鹽中Ti、B元素的吸收進程，并促使TiAl3、AlB2表層發(fā)生熔解、擴散，加速TiAl3、AlB2向TiB2的轉化

4、進程。
　　2.研究了電渣熔煉電流對Al熔體與氟鹽反應過程的影響。表明，電流較低時，渣池溫度較低，Al熔體與混合氟鹽未能充分反應；電流過高導致Al自耗電極熔化速率急劇增加，部分Al熔體來不及與混合氟鹽反應。在本文試驗條件下，600A的熔煉電流能使氟鹽中的Ti、B元素被Al熔體充分吸收，并且TiAl3、AlB2有效轉化為TiB2，制備周期由傳統(tǒng)的60min以上降至15min左右；同時，Al熔體中的夾渣被熔渣充分吸附而自動遷移到渣池中

5、，制備的TiB2/Al復合材料的屈服強度和伸長率分別比傳統(tǒng)混合氟鹽反應法制備的復合材料提高了20％和22%。
　　3. TiB2顆粒分散及沉降試驗研究表明，CeO2添加劑可顯著改善TiB2顆粒在Al基體中的分布。隨著CeO2含量的增加，TiB2顆粒的分散性先提高而后降低，當含量為0.5wt%時，有效抑制了TiB2顆粒的團聚和沉降，并且在重熔狀態(tài)下顆粒仍可保持良好的分散狀態(tài)。微觀分析表明，由CeO2所生成的Ce元素被吸附于TiB2顆

6、粒表面，降低了顆粒與基體間的界面能，改善了Al熔體對TiB2顆粒的潤濕性，揭示了改善金屬熔體/增強顆粒的界面能是抑制顆粒團聚和沉降的關鍵。
　　4.選用2014硬鋁合金作為基體原位合成了TiB2/2014復合材料。研究發(fā)現(xiàn)，原位自生TiB2顆粒尺寸細小，在30nm～2μm之間，在凝固過程中，尺寸較小的顆粒(<50nm)能夠滿足V>Vcr的條件，被S/L界面吞噬而均勻分布在?-Al基體中，而尺寸較大的顆粒被S/L界面推移，孤立地存在

7、于晶界附近；TiB2顆粒的主要形態(tài)為多邊形或近球形，且與基體合金界面結合良好，不存在反應及殘留物質；在尺寸小于100nm的TiB2顆粒周圍能觀察到明顯的應變場襯度，而大于100nm的顆粒周圍存在少量位錯。
　　5.相比2014基體鋁合金，5vol%TiB2/2014復合材料鑄態(tài)力學性能有顯著提高，伸長率略有降低，其硬度、抗拉強度、屈服強度分別為113HV5、287MPa、168MPa，分別比基體合金提高了59%、33%、35%。<

8、br>　　6.通過對TiB2/2014復合材料擠壓鑄造成型性的研究表明，原位自生TiB2顆粒的引入使復合材料相比基體合金表現(xiàn)出較差的擠壓鑄造成型性。相比2014基體鋁合金，復合材料較早的開始和完成凝固是影響復合材料擠壓鑄造成型性的主要因素；提高澆注溫度、模具溫度，縮短開始加壓時間，有利于復合材料的擠壓鑄造成型。在本文試驗條件下，2014基體鋁合金適合的澆注溫度、模具溫度和壓力分別為710～730℃、200℃和90MPa，而復合材料需要提

9、高到770～780℃、250℃和120MPa。實驗表明，按照熔體從澆注溫度冷卻到液相線溫度的時間間隔與開始加壓時間相等的方法，設計原位合成復合材料擠壓鑄造工藝參數(shù)是可行的。
　　7.隨著擠壓壓力的增加，TiB2/2014復合材料顯微組織逐漸細化，偏析減小、致密度提高、顆粒分散性得到明顯改善。當壓力為120MPa時，復合材料顯微組織明顯細化，TiB2顆粒均勻分布在基體中。
　　8.原位自生TiB2顆粒的引入未改變基體合金的時效

10、規(guī)律，但抑制了沉淀相的析出。原位自生TiB2顆粒抑制了GP區(qū)的形成，提高了?″和?′相的熱擴散激活能，使?″和?′相析出困難；由于增強顆粒引入了大量界面和一定量的位錯，仍使復合材料較基體合金提前達到峰值時效狀態(tài)，但與基體合金相比，其時效強化作用不顯著。
　　9.隨著擠壓壓力的增加，TiB2/2014復合材料的力學性能逐漸提高，120MPa時力學性能較好，其在 T6熱處理狀態(tài)下的抗拉強度、伸長率和硬度分別比重力鑄造復合材料提高了21

11、%、200%和7.5%。
　　10.當壓力高于30MPa時，隨著擠壓壓力的增加，TiB2/2014復合材料的磨損率逐漸減少，120MPa時耐磨性較好；擠壓鑄造復合材料的磨損率明顯低于擠壓鑄造基體鋁合金，而且在高載荷下擠壓鑄造復合材料表現(xiàn)出更明顯的耐磨性優(yōu)勢。擠壓鑄造復合材料耐磨性的提高不僅與基體合金硬度的提高和鑄造缺陷的減少有關，而且顆粒分散性的改善也起到重要作用。
　　基于以上研究，采用擠壓鑄造工藝成功制備了高強度、良好耐