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本文开发了7055Al-(Al-3B合金)-Ti粉剂原位反应新体系,通过熔体原位反应合成技术成功制备了TiB2颗粒增强7055Al基复合材料,并优化了熔体原位反应工艺。利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X-射线衍射仪(XRD)等分析和测试设备,研究了TiB2/7055Al复合材料的微观组织、相组成以及内生颗粒的形貌、大小及分布特征等,测试了复合材料的力学性能;研究了等通道角挤压变形对复合材料组织和性能的影响,并初步探讨了复合材料的强化机制。
研究结果表明,在7055铝合金熔体温度为850℃时,用Al-3B合金和Ti剂作为反应物(Ti和B摩尔比为1∶2.1),保持反应时间为30min的条件下,反应生成的增强颗粒经XRD和EDS分析确认为TiB2相,其颗粒形貌呈六棱形或多边状,平均尺寸为1μm左右,但是存在局部团聚现象,并分布于α-Al晶界处。同时,由于TiB2颗粒的存在,有效地阻碍了α-Al的长大,使初生α-Al晶粒明显得到细化,尺寸在20μm左右,形貌呈细小等轴状。
超声和磁场对颗粒在基体中的润湿性及分布影响的研究结果表明:(1)超声的声空化效应改善了颗粒与基体间的润湿条件,声流效应促使TiB2颗粒在溶体中均匀分散。随着超声功率的增大,声空化和声流效应协同作用使内生颗粒分散程度明显提高,颗粒与基体润湿性显著改善,当超声功率为1.0kW、超声间歇作用时间为3min时,效果达到最佳,复合材料中TiB2颗粒细小达500nm左右,与基体界面结合性好,分布也趋于均匀。(2)磁场的搅拌震荡和脉冲电流的收缩效应,使熔体中产生强烈的紊流,有利于化学反应中原子的迁移和交换,加速了熔体原位反应进程,使α-Al晶粒明显细化。当磁场强度达到0.10T时,复合材料中颗粒体积分数达到最大,晶粒细化效果显著,继续增加磁场强度时,作用效果已不明显。此外,对比超声和磁场作用效果表明:经超声作用下制备的复合材料中颗粒尺寸更细小,在基体中分布显著改善,趋于均匀分布;而施加磁场可以使原位反应进行的更快更充分,α-Al晶粒细化更显著,但对颗粒的宏观分散效果改善并不明显。
复合材料的拉伸性能研究结果表明:随着颗粒体积分数的增加,复合材料的抗拉强度增大,而伸长率呈下降趋势,当颗粒体积分数为5%时,复合材料的抗拉强度和伸长率分别达到303MPa和7.3%,较基体合金提高了10.2%和降低了4.8%。经超声作用后,复合材料的抗拉强度和伸长率均先增大后减小,超声功率为1.0kW时,抗拉强度和伸长率分别达到最大值333MPa和8.2%,较未施加超声作用的复合材料分别提高了9.9%和12.3%。此外,复合材料的抗拉强度和伸长率随着磁场强度的增大呈先上升后缓慢下降的特点,当磁场强度为0.10T时,复合材料的抗拉强度和伸长率较未施加时提高了8.9%和9.6%,综合力学性能达到最佳。同时,复合材料的断口形貌呈现出混合型断裂特征,与力学性能测试结果吻合。
复合材料的等通道角挤压试验研究结果表明:随着挤压道次的增加,晶粒被剪切破碎,形成细小的等轴晶,晶粒细化效果显著,复合材料组织趋于均匀;同时,经挤压变形后材料出现加工硬化现象,抗拉强度明显提高,伸长率呈下降趋势。经三道次的累积变形后复合材料的抗拉强度提高到465MPa,比原铸态试样的333MPa,提高了39.6%,但复合材料的伸长率降低为7.4%。