原位(TiB2+ZrB2)颗粒增强AlSi9Cu3基复合材料的制备及性能研究

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本文研究以AlSi9Cu3合金作为基体,Al-K2TiF6-K2ZrF6-KBF4作为反应体系,通过熔体原位反应(DMR)技术成功制备出(TiB2+Zr B2)/AlSi9Cu3复合材料。利用XRD、SEM、EDS、OM和TEM等测试手段,研究了(TiB2+ZrB2)/AlSi9Cu3复合材料制备工艺参数、机械搅拌辅助、热处理方式等对显微组织的影响,分析了凝固组织中TiB2和ZrB2颗粒及CuAl2相的形貌、尺寸及分布等,分析研究了(TiB2+Zr B2)/AlSi9Cu3复合材料的力学性能,探讨了(TiB2+ZrB2)/AlSi9Cu3复合材料的强韧化机制。冷却速率对AlSi9Cu3合金基体的影响结果表明:铜模浇注的基体合金中枝晶间距(DAS)优于铁模浇注的DAS。铁模浇注AlSi9Cu3合金的凝固组织中DAS约为2040μm,铜模浇注的DAS约为10μm,确定(TiB2+ZrB2)/AlSi9Cu3复合材料浇注方式为铜模。(TiB2+ZrB2)/AlSi9Cu3复合材料的最佳制备工艺参数研究结果表明:在反应温度860℃条件下,最佳反应时间30min,反应物添加量20wt.%。在该参数下制备的复合材料凝固组织中TiB2和Zr B2颗粒形貌呈现近六边形状,平均尺寸40nm,颗粒增强团尺寸1020μm,主要分布于枝晶间和晶界处;Si相形貌为短棒状,并在枝晶间形成一个完整的网络结构;晶粒尺寸在2060μm,晶粒细化效果明显。机械搅拌对(TiB2+ZrB2)/AlSi9Cu3复合材料显微组织影响研究结果表明:当机械搅拌转速为700rmp,时间为10min时,改善了局部区域TiB2和ZrB2颗粒的分布,使得纳米增强团被击碎,均匀分布,颗粒尺寸为2060nm。(TiB2+ZrB2)/AlSi9Cu3复合材料力学性能研究结果表明:反应时间为30min,反应物添加量分别为20wt.%时制备的复合材料铸态条件下的抗拉强度及伸长率分别为265MPa和14.8%,其分别是AlSi9Cu3基体合金的1.2倍和2.11倍;冲击吸收功为3J,较AlSi9Cu3基体合金有所提升。施加机械搅拌作用10min后,复合材料铸态抗拉强度和伸长率分别达到277MPa,15.6%。复合材料增强机制包括位错强化,细晶强化,界面强化。复合材料拉伸断口形貌表明其拉伸断裂方式为准解理断裂,冲击断口形貌表明该材料具有一定的冲击韧性。热处理工艺对复合材料组织和性能影响研究结果表明:采用固溶+过时效处理工艺使得Si相粒状化,尺寸约2μm;晶界处骨骼状的CuAl2相消失,固溶于基体中,形成稳定的θ相。复合材料的抗拉强度可达到最大值305MPa,伸长率为15.8%,冲击吸收功为6J。
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