原位TiB2/2024Al复合材料超声辅助挤压铸造制备及组织性能研究

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金属基复合材料由于具有优异的综合性能,且性能可设计性强,近年来得到快速发展。其中以Al或其合金为基体的复合材料性能出众,具有高比强度、耐高温和耐磨损等优良性能,广泛应用于结构件领域。原位合成法在制备复合材料方面应用广泛,利用原位法制备的复合材料增强相与基体之间润湿性较好且有优异的高温力学性能。然而,现有的制备方法难以解决细小的增强颗粒易团聚和引入第二相后材料的塑性下降这两个问题,故复合材料制备的过程调控显得十分重要。本课题在此背景下开展了原位TiB2/2024复合材料超声辅助挤压铸造制备及组织性能研究。拟通过原位TiB2/2024复合材料超声熔体工艺的研究,获取适当的熔体制备参数;采用超声辅助挤压铸造制备复合材料并研究其组织性能;探究TiB2/2024复合材料热处理机制和强化机制效果,并预测增强颗粒分布状况,主要研究成果如下:在熔体制备阶段,反应温度850℃时,Al-Ti中间相充分溶解,生成热力学稳定的TiB2增强颗粒;高能超声处理15min时,能有效抑制增强颗粒团聚并促进其均匀分布;随着增强相质量分数的增加,基体组织逐渐细化,材料性能逐渐提升。挤压铸造能够显著提高复合材料强度但会降低材料的塑性,当压力为150MPa时,与重力铸造件相比,材料的抗拉强度提升了约40%,伸长率却降低了约40%;凝固过程中施加超声振动能够提高复合材料的塑性但对于材料强度影响较小;通过超声辅助挤压铸造能够获得综合力学性能较好的复合材料,在提高复合材料强度的同时提升材料的伸长率,当压力为150MPa,超声振幅为70μm时,与重力铸造件相比,材料抗拉强度和伸长率分别提升了约10%和25%。TiB2/2024复合材料热处理后硬度显著提升,较热处理前提升了约40%。复合材料主要强化机制有热错配强化、Orowan强化、细晶强化和载荷传递强化。强化效果与增强相颗粒的分布状况相关,通过理论值与实际值的对比,可推测材料内部增强颗粒分布状况。研究发现提高增强颗粒在晶粒内的数量是提升颗粒增强复合材料综合性能的一种关键方法。本课题对TiB2/2024复合材料熔体凝固行为进行研究,对于获得高强高塑性铝基复合材料,拓展铝基复合材料的应用前景具有重要意义。
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