论文部分内容阅读
晶粒细化是铝合金材料重要的强化方式,而且能够同时提高合金的塑性和加工成形性能。TiC与α-Al的晶格类型相同、晶格参数接近,可以作为α-Al的形核衬底、细化晶粒。但目前对TiC细化机理的研究还不充分,使得Al-Ti-C中间合金的细化效果不稳定。形核界面调控是提高细化效果的关键,TiC是一种非化学计量比的化合物,其化学式可表示为TiCx(0.48≤x≤0.98),x值的可变性为界面调控提供了可能。另外,晶粒细化对铝合金力学性能的提升幅度有限,TiCx还可以作为第二相粒子进一步强化铝合金,而第二相粒子的强韧化效果通常受粒子尺度、构型等因素的影响。基于此,本文对TiCx的x值、粒子尺度和构型三方面进行调控,研究其对铝合金的强韧化行为。(1)值与形核能力的相关性(x值调控)试验表明,TiCx的x值是影响Al-Ti-C中间合金细化效果和细化衰退的关键因素,当粒子尺寸及添加量等参数相同时,x值越小,细化效果越好,而且抗衰退能力越强。进一步研究发现,将Al-Ti-C中间合金加入铝熔体中进行晶粒细化时,TiCx粒子周围会形成富Ti区,熔体凝固过程中,在富Ti区的作用下α-Al在TiCx粒子表面形核;而无富Ti区时,α-Al难以形核。热力学研究表明,TiCx在720℃的铝熔体中是不稳定的,会通过向铝熔体中释放Ti原子的方式发生自身的演变:TiCx→TiCy,0.48≤x<y≤0.92;而释放出的Ti原子促进了其表面富Ti区的形成,从而有利于α-Al的形核;而且,x值越小,TiCx释放Ti原子的热力学驱动力越大。因此,x值越小,细化效果越好、抗衰退能力越强。在含Zr铝合金的细化过程中,熔体中的Zr原子向上述富Ti区偏聚,使形核界面的晶格错配度增大,形核率降低,即出现形核“Zr中毒”现象。TiCx与Zr发生化学反应的热力学驱动力(△G<0)是促使Zr向富Ti区偏聚的原因之一。第一性原理模拟研究发现,通过B元素掺杂TiCx,改变了该化学反应的热力学驱动力(△G>0),从而减轻了 Zr的偏聚,使得B掺杂型TiCx具有良好的抗“Zr中毒”能力。(2)TiC纳米粒子对Al-Cu合金组织和性能的影响(粒子尺度调控)在晶粒细化的基础上,为了进一步提高铝合金的力学性能,对TiC的粒子尺度进行调控,原位合成了纳米级的TiC粒子,并研究了其对Al-Cu合金组织演变和力学性能的影响。(文中涉及TiCx的x值的相关问题时加下标x,否则不加,两种表示方法均代表碳化钛化合物。)采用熔体反应法制备了一种Al-14TiC中间合金,其中TiC粒子的平均尺寸为107 nm;将中间合金加入到Al-Cu二元熔体中,通过熔体铸造法制备了Al-4.5Cu-xTiC,x=0.5、1和1.5三种材料。发现TiC含量为0.5%时,粒子在基体中呈均匀分布;TiC含量增加到1.5%时,粒子呈晶内均匀分布和沿晶界聚集分布。通过拉伸性能测试发现,弥散分布的TiC纳米粒子对室温强度的贡献较大,而沿晶界分布时贡献较小;但两种分布状态对350℃的拉伸强度都有提升。这是因为室温下晶界较强,通过粒子进一步增强晶界,对合金强度的贡献较小;而在高温下,由于原子扩散速率加快,晶界较弱,通过粒子增强晶界有利于合金强度的提高。研究发现,TiC纳米粒子可以促进Al-Cu合金时效相的析出。180℃时效时,与A1-4.5Cu合金相比,Al-4.5Cu-1.5TiC的峰值时效时间由20h减少至12 h;而且,时效后基体中θ’相的尺寸减小、密度提高,从而增加了时效强化效果,Al-4.5Cu合金时效前后屈服强度的增量为84 MPa,Al-4.5Cu-1.5TiC的增量达到113 MPa。这主要是由于TiC与α-Al的热膨胀系数不同,在固溶淬火过程中合金内部存在应力,进而提高了基体中的位错密度,位错可以作为原子扩散的通道和时效相的形核位点;同时TiC/α-Al界面处的晶格畸变也促进了 θ’相的析出。(3)TiC纳米粒子构型设计及对2024铝合金的强韧化(构型调控)TiC纳米粒子对Al-Cu合金具有良好的强化效果,但是当粒子含量增多时,粒子聚集是难以避免的,这极大地弱化了粒子的强化效果,甚至带来负面影响。通过粒子的分布调控,进行微观组织构型设计,可以避免粒子聚集的负面影响,而且能够进一步提高强化效果。通过熔体铸造工艺制备了一种2024-1.5TiC复合材料,其中TiC纳米粒子沿晶界呈网状分布。网状构型可以明显提高材料的力学性能,与2024合金相比,其350℃的极限拉伸强度由105 MPa提高到151 MPa,而TiC纳米粒子在基体中随机分布的2024-1.5TiC复合材料的强度为118 MPa。研究发现,2024合金在拉伸过程中只有部分基体发生了变形,也即局部变形模式;而网状构型的约束作用使基体的变形模式由局部变形转变成整体变形,整体变形模式充分发挥了材料各部分的强化作用、避免了局部承载,从而有效提高了材料的高温强度。通过铸造和挤压工艺制备了一种2024-1.5TiC复合材料,TiC纳米粒子呈线状构型分布于基体中。线状构型能同时提高材料的室温强度和塑性,与2024合金相比,2024-1.5TiC的极限拉伸强度由430 MPa提高到550 MPa,延伸率由9.8%提高到15.5%。研究发现,TiC纳米粒子的引入使基体的平均晶粒尺寸由9.7 μm减小到6.8μm,有利于强度和塑性的提高。此外,变形过程中TiC线状区的变形量很小(宏观变形<1.5%),而基体产生了明显的变形;因此,整个TiC线可以看做一个类似于短纤维的强化单元,由于TiC线的平均长径比达36.6,从而具有较高的载荷传递强化作用,使材料强度明显提高;而载荷传递强化在提高强度的同时,使基体所承受的应力仍处于较低的水平,“软”的基体能够释放裂纹尖端的应力集中、抑制裂纹扩展,使材料具有较高的塑韧性。