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如今制造业中,人们对于环境友好型和资源节约型的兴趣正在改变我们对金属材料的选择。轻质结构材料在汽车工业和航空工业的应用促进人们对轻合金的研究。相对于其他普通的黑色金属材料,镁有最大的强度比。另外,镁合金具有相对的低密度,良好的铸造性,高比强度和良好的力学性能,但在高温条件下,镁合金的强度和抗蠕变性能限制了其进一步应用,为此,研究人员通过复合化技术开发镁基复合材料,从而提高镁合金的综合性能,从而进一步增加其在工业中的应用。目前颗粒增强镁基复合材料相对于镁合金在比模量,强度,热稳定性和摩擦性能方面具有优势。
AZ91合金是目前应用最广泛的工程材料之一,本文采用熔体混合法制各ZrB2/AZ91D复合材料。首先以Al-NH4RF4-K2ZrF6为反应体系,熔体反应合成法成功制备了ZrB2颗粒,然后将Al-ZrB2熔体和AZ91D熔体直接混合成功制备了ZrB2颗粒增强AZ91D基复合材料。实验中还利用机械搅拌和高能超声制备不同工艺下的ZrB2颗粒和复合材料。利用差热分析仪(DSC)、X-射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等仪器,研究了ZrB2颗粒的生长机制和形貌,AZ91D基体及其复合材料凝固组织和室温力学性能。
反应物添加量对ZrB2颗粒影响的实验结果表明:随着(NH4BF4-K2ZrF6)混合粉末添加量的增加,铝熔体中ZrB2的体积分数逐渐增加,当反应物添加量为50wt.%时,复合材料凝固组织中ZrB2颗粒的体积分数最大。此时制备的ZrB-2/AZ91D复合材料凝固组织最佳。
高能超声对ZrB2颗粒影响的实验结果表明:在高能超声的作用下,ZrB2颗粒形貌清晰,呈现出短棒状,生成量增多;与此同时,熔体直接混合制备的复合材料在高能超声的作用下颗粒分布趋于均匀。在不同的超声作用功率下,ZrB2颗粒在AZ91D中呈现出不同的分布,当超声功率为1.1kW时,复合材料的室温抗拉强度和延伸率达到最大值,分别为245MPa和3%,强度比未施加高能超声的复合材料提高了23.1%。同时,复合材料的拉伸断口上解理台阶减少,逐渐出现韧窝,其断裂方式由解理断裂向准解理断裂过渡。
AZ91D合金化的实验结果表明:复合添加Ce、La、Sr和Y元素后,AZ91D镁合金的凝固组织得到明显细化,网状的β-Mg17Al12相断裂成块状或粒状,均匀分布在基体中,并有高熔点的针状或棒状的Al4Ce、Al4La和Al3Y化合物生成。复合添加0.2wt.%Sr-0.3wt.%Y-0.4wt.%La-0.5wt.%Ce时,镁合金的凝固组织最佳,室温抗拉强度Ob和延伸率δ达到最大值,分别为245MPa和4%,强度较AZ91D基体提高了28.9%。相同工艺下ZrB2/AZ91D复合材料合金化表明复合添加Ce、La、Sr和Y元素后,复合材料的晶粒也有明显细化,也伴有高熔点的针状或棒状的AL4Ce、Al4La和AL3Y化合物生成。复合添加0.2wt.%Sr-0.3wt%Y-0.4wt.%La-0.5wt.%Ce时,复合材料具有最佳性能,室温抗拉强度σB和延伸率δ达到最大值,分别为265MPa和4%,强度较未合金化复合材料提高了33.2%。