原位自生TiB2p_Al-18％Si复合材料的组织和性能.pdf

4 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．1 0 ．0 1 3 原位自生T i B 2 p ／A l 一18 ％s i 复合材料的组织和性能 李庆林1 ，兰晔峰1 ，王强强2 ，樊璐1 ，任彦飞1 ， 1 ．兰州理工大学材料科学 2 ．三一集团杭州力龙液压 高敦1 与工程学院，兰州7 3 0 0 5 0 ； 有限公司，杭州3 1 1 2 0 0 摘要采用T i O 和K B F 。粉体为反应物，适量N a 。A 1 F 。为覆盖剂，用熔体直接反应法制备了T i B z ，／A l 一 1 8 ％s i 复合材料，通过O M 、S E M 和E P M A 对复合材料的相及微观组织进行研究，并测试了常温条件下 复合材料的硬度、抗拉强度和干滑动摩擦磨损性能。结果表明，原位反应生成的T i B z 颗粒尺寸小于 l “i m ，且大多数在A 1 1 8 ％S i 合金基体中均匀分布，粗大的a A I 枝晶和针状共晶S i 组织得到细化；复合 材料的硬度、抗拉强度、摩擦磨损性能高于无T iB 2 颗粒的A l _ 1 8 ％s i 合金。 关键词原位反应；T i B z ；复合材料；微观组织；力学性能} 耐磨性 中图分类号T B 3 3 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 1 0 - 0 0 4 2 0 4 M i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t yo fI n 。s i t uT i B 2P a r t i c u l a t e s R e i n f o r c e dA I 一18 ％S iC o m p o s i t e L IQ i n g l i n l ，L A NY e - f e n 9 1 ，W A N GQ i a n g q i a n 9 2 ，F A NL u l ，R E NY a n f e i l ，G A O 1 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ； 2 ．S a n yG r o u pH a n g z h o uL iL o n gH y d r a u l i cC o ．L t d ，H a n g z h o u3 1 1 2 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T i B 2 。／A l 一1 8 ％S ic o m p o s i t ew a sp r e p a r e db yd i r e c t i o n a lm e l tr e a c t i o ni n s i t us y n t h e s i sp r o c e s sa p p l y i n gT i 0 2a n dK B F 4p o w d e ra sr e a c t a n ta n dN a 3A I F 6a sc o v e r i n ga g e n t ．T h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o r n ’ p o s i t e sw e r ei n v e s t i g a t e db yO M ，S E Ma n dE P M Ar e s p e c t i v e l y ．T h er e s u [ t ss h o wt h a tt h ei n s i t uT i B 2p a r t i c l e sa r el e s st h a n1 ．0u m ，a n du n i f o r m l yd i s t r i b u t ei nt h eA 1 1 8 ％S im a t r i xa l l o y ，a n dt h ep r i m a r ya A l d e n d r i t i cc r y s t a la n dn e e d l e l i k ee u t e c t i eS ia r er e f i n e di nT i B z p ／A 1 1 8 ％S ic o m p o s i t e ．T h eh a r d n e s s ，t e n s i l e s t r e n g t ha n dw e a rr e s i s t a n c eo fT i B z 。／A 1 1 8 ％S ic o m p o s i t ei si m p r o v e dd r a m a t i c a l l yc o m p a r e dw i t hA I 一 1 8 ％S ia l l o y ． K e yw o r d s i n s i t ur e a c t i o n ；T i B 2 ；c o m p o s i t e ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；w e a rr e s i s t a n c e 铝基复合材料在航空航天、汽车和军工等领域 广泛应用[ 1 _ 5 ] 。制备方法主要有粉末冶金法、固体 分散法、喷射沉积法、液态浸渗法和原位复合法，其 中原位复合法是通过熔体的直接原位反应获得增强 颗粒，工艺简单，增强相与基体结合良好、界面洁 净卟_ 7 ] 。国内外学者对原位自生法制备T i B 。颗粒 增强铝基复合材料的工艺方法和力学性能进行了深 收稿日期2 0 1 2 0 3 1 9 基金项目国家大学生创新性实验项目资助 1 0 1 0 7 3 1 0 7 作者简介李庆林 1 9 7 8 一 ，男，甘肃临洮人，工程师． 入和系统的研究[ 8 ] ，通常是以纯铝或亚共晶铝硅合 金为基体，以K T i F 。和K B F 。盐为反应体系。但 是，T i O 。的价格低廉，用其取代K z T i F 。采用原位反 应制备T i B 。／A 1 1 8 ％S i 基复合材料的报道较少。 因此，本文以A t - 1 8 ％S i 过共晶合金为基体合金，以 T i o 和K B F 。为反应物，N a 。A 1 F 。为覆盖剂，采用 原位法制备了无脆性A l 。T i 相的T i B 。。／A I 一1 8 ％S i 万方数据 2 0 1 2 年1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 3 复合材料，并对复合材料的相、微观组织、力学性能 和摩擦磨损性能进行分析和测试。 l 试验材料及方法 试验材料与复合材料的制备工艺与文献[ 1 ] 相 同，将制备的复合材料浇注成垂2 0m m 6 0m m 的 试棒，从距底部3 0m m 处截取金相试样，用0 ．5 ％ H F 水溶液腐蚀后用光学显微镜观察显微组织，用 E P M A 和S E M 分析铝、硅、钛和硼元素的分布状态 和T i B 。颗粒形貌。用H B R V U - 1 8 7 ．5 型布洛维光 学硬度计和C S S 一1 1 1 0 型电子万能试验机测试试样 的布氏硬度和抗抻强度。摩擦磨损试验在M M w 一1 型万能摩擦磨损试验机上进行，选用单针小环与三 针小环摩擦副对摩，对摩材料为4 5 号钢。摩擦试样 尺寸①6m m X1 2m m ，在干摩擦条件下，试验载荷 1 0 0N 、转速1 0 0r ／r a i n 、摩擦时间9 0m i n 进行摩擦 磨损试验，并采用精度为0 ．1m g 的分析天平称量 磨损量。 2 试验结果与分析 2 ．1复合材料的微观组织 图1 为A l 一1 8 ％S i 基体合金及6 ％T i B 。。／A I 一 1 8 ％S i 复合材料的微观组织。 图lA 卜1 8 ％s i 合金 a 和原位生成6 ％’F i B 。／A I 一1 8 ％S i b 的显微组织 F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r eo fA I 一1 8 ％S i a a n d6 ％T i B 2 。／A I l8 ％S i h c o m p o s i t e 由图1 可看出，T i B 。。／A 1 1 8 ％S i 复合材料的≥I 晶硅组织相对于铸态A l 1 8 ％S i 过共晶合金中的要 细小，长度变短；粗大的a A 1 枝晶得到明显的细化． 二次枝晶间距减小。这主要是由于T i 0 。和K B I 在A l 一1 8 ％S i 熔体中通过原位反应获得了尺寸细／J 、 的T i B 。颗粒。赵芳欣等曲] 通过T E M 研究发现 T i B 和a A l 之间存在着取向关系 1 0 1 T 峨／ 2 0 0 小[ o i1A I ／／[ 1 01 ] ，I B 。因此，从晶体学角度 证实，在凝固过程中铝能够在内生T i B 。颗粒的共格 对应面上进行原子的堆积和长大，从而提高a A l 形 核率，使最终的凝固晶粒得到细化；另外，高熔点的 T i B 。颗粒在凝固过程中被推移到液固界面前沿，阻 碍了a A l 晶粒的生长，起到晶粒细化的作用；而对 共晶硅组织细化的原因可能是在凝固过程中改变了 小平面硅的生长方式，但其细化机理还需要深人研 究。 图2 为T i B 。。／A I 一1 8 ％S i 复合材料中T i B t 颗粒 S E M 的形貌【1 j 。 图27 F i B 。，／AJ - 1 8 S i 复合材料的S E M 形貌 F i g ．2 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo f T i B 2 。／A t 一1 8 ％S ic o m p o s i t e 由图2 可看出，熔体直接反应内生的T i B 。颗粒 十分细小，颗粒尺寸小于1t s m ，形貌大多呈六边形、 四边形和不规则的多边形。 图3 为质量分数6 ％的T i B 。。／A I 一1 8 S i 复合材 料的背散射电子图像 B S E 以及铝、硅、钛、硼元素 万方数据 的【l i f | _ 二} 描分印图。 有色会属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 2 年1 0 期 图36 ％T i B ，／A I 1 8 ％S i 复合材料的背散射电子图像 B S E 及元素面扫描图 F i g ．3 E P M Aa n a l y s i so f6o ／／o T i B 2 ，／A I 一1 8 ％S ic o m p o s i t e a B S E ； b A I ； c S i ； d T i ； e B 由图3 d 和图3 e 可看出，弥散分布或少量出现 团聚的亮白色粒状物为内生的T i B 。出现局部团 聚的原因主要是由于T i B 。颗粒尺寸小于1 肛m ，使 得T i B 颗粒存在较大的表面能，在凝固过程中内生 的T i B 。颗粒通过团聚增大体积，使表面能降低。因 此，T i B 。颗粒的团聚是影响材料性能的一个关键因 素f 1 ⋯。文献报道[ 1 1 _ ”] ，T i B 。颗粒增强的复合材料 制备过程能够消除或减弱T i B 颗粒团聚的方法主 要有1 提高合金液的过热温度；2 应用快冷技术； 3 添加适量的合金元素，如M g 、L i 、Z r 、R E 、T e 、T i ； 4 采用搅拌阻碍颗粒的团聚。因此，通过提高A 1 一 1 8 ％S i 合金的反应温度 10 0 0 ～10 5 0 ℃ 、分步加 料反应和采用机械搅拌的方法，使T i B 颗粒的团聚 现象可以在一定程度上得到改善L l j 。 2 ．2 T i B ，含量对复合材料力学性能的影响 2 ．2 ．1 硬度 不含T i B 。的A l 一1 8 S i 合金布氏硬度为5 8 ．2 H B ，2 ％T i B 2 。／A I 一1 8 ％S i 、4 ％T i B 2 ，／A 1 1 8 ％S i 和 6 ％T i B 。。／A 1 1 8 ％S i 复合材料的布氏硬度分别为 6 8 ．3H B 、7 5 ．4H B 和8 2 ．4H B ，相对基体合金分别 提高了1 7 ．3 ％、2 9 ．5 ％和4 1 ．6 ％。可以看出，随着 生成T i B 颗粒质量分数的增加，复合材料的硬度相 应增加。这是因为比基体合金硬度高的细小T i B 颗粒均匀分布于基体中，另外，内生的T i B 颗粒作 铝的形核基底可以提高形核率，使a A l 的二次枝晶 间距减小，起到细晶强化作用[ 1 “。因此，随着T i B 含量的增加，材料承载能力加强，硬度提高。 2 ．2 ．2 抗拉强度和延伸率 当T i B 。的含量为6 ％时，复合材料的室温抗拉 强度达到1 7 3 ．8M P a ，相比基体合金的1 3 1 ．5M P a 提高了3 2 ．2 ％，但延伸率艿随着T i B 含量的增加由 2 ．7 ％下降到1 ．1 ％。这主要是材料的力学性能与 位错运动的难易密切相关，阻碍位错运动的作用力 越大，则材料的抗拉强度越高，而延伸率降低。根据 O r o w a n L 1 4 1 5 ] 机理，具有优质性能的陶瓷颗粒使位 错的运动形式发生改变，运动过程中避免了位错环 切过颗粒，从而随位错环的增多使颗粒之间的有效 距离减小，增加位错阻力。因此，复合材料的强度随 着T i B 。含量的增加而增大，但延伸率随含量的增加 而减小。 万方数据 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y z y l ．b g r i m m ．c n 4 5 2 ．3 摩擦磨损性能 图4 为不同T i B 。含量的A l 一1 8 ％s i 基复合材料 在摩擦磨损试验过程中磨损量随时间的变化曲线。 吕 ＼ 娴 辎 世 图4不同T i B 含量A l 一1 8 ％S i 合金磨损量 与时间的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i m ea n d w e a rm a s sl o s so fA I 一1 8 ％S ic o m p o s i t e s w i t hd i f f e r e n tT i B 2c o n t e n t 由图4 可以看出，合金的磨损量随时问的增加 近似呈线性增加。并且复合材料的磨损量明显低于 基体合金的磨损量，且随着内生T i B 。颗粒含量的增 加，磨损量降低，耐磨性能提高。因此，T i B 。。／A l 一 1 8 ％S i 复合材料表现出了比基体A 11 8 ％S i 合金更 优异的耐磨性能，且耐磨性随T i B 。颗粒含量的增加 而逐渐提高。 研究表明[ 1 6 17 ] ，颗粒增强铝基复合材料的磨损 性能主要受物理因素 载荷、滑动速度、对摩件种类 等 和材料本身结构因素 增强颗粒种类、大小、分布 等 的影响。复合材料比基体合金具有更好的耐磨 性的原因主要是口4 ’18 | 生成的细小原位颗粒的弥散 分布提高了材料的硬度，阻止磨损亚表面基体合金 在外力作用下的塑性流变，降低了材料和对磨块之 问的黏结作用，导致磨损形变明显滞后；增强相颗粒 细小且与基体结合紧密，抑制了颗粒从基体上剥落 的倾向，加强了复合材料抵抗黏结和变形的能力。 3结论 1 通过熔体直接反应法成功制备了原位自生 T i B 。颗粒增强A 1 1 8 ％S i 复合材料，增强相T i B 。 颗粒尺寸细小 1 F m 。T i B 。颗粒的存在使合金 中粗大的仅一A 1 枝晶和针片状的共晶硅都得到较明 显的细化。 2 复合材料室温的硬度和抗拉强度均高于基体 合金，且随着T i B 颗粒含量的增加而逐渐提高，但 材料的延伸率逐渐降低。 3 复合材料的耐磨性能较A 1 1 8 ％S i 基体合金 有较大提高，且T i B 。颗粒含量越高，耐磨性能越好。 参考文献 [ 1 ] 兰哗峰，王强强，李庆林，等．原位反应制备T i B 2 颗粒 增强的A l s i 基复合材料的研究[ J ] ．热加工工艺，2 0 1 1 ， 4 0 4 6 2 6 6 r 2 ] I b r a h i mIA ，M o h a m e dFA ，L a v e r n i aEJ ．P a r t i c u l a t e r e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s [ J ] ．M a t e rS c i ， 1 9 9 1 ，2 6 1 1 1 3 7 1 1 5 6 ． [ 3 ] 陈明．颗粒状M g z S i 增强A l 一2 0 ％s i 复合材料的制备 [ D ] ．江西赣州江西理工大学，2 0 0 9 ． [ 4 ] 陈登斌，霍晓阳，张松利，等． A 1 2 0 。} _ A 1 。Z r 。／A I 一2 2 S i 铝基复合材料的制备及摩擦学性能[ J ] ．机械工程材料， 2 0 0 8 ，3 2 1 2 4 7 5 0 ． [ 5 ] T e eKL ，L uI ．，I 。a iM0 ．I n s i t up r o c e s s i n go fA I T i B 2 c o m p o s i t e sb yt h es t i rc a s t i n gt e c h n i q u e [ J ] ．J o u r n a lo f M a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，8 9 9 0 5 1 3 5 1 9 ． [ 6 ] L a k s h m iS ，L uL ，G u p t aM ．I n s i t up r e p a r a t i o no fT i B 2 r e i n f o r c e dA Ib a s e dc o m p o s i t e s [ J ] ，J o u r n a lo fM a t e r i a l P r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，1 9 9 8 ，7 3 1 6 0 1 6 6 ． E 7 ] 吴人洁．金属基复合材料的发展现状与应用前景[ J ] ． 航空制造技术，2 0 0 1 3 1 9 2 2 ． [ 8 ] 赵敏，姜龙涛，武高辉．T i B 。／A l 复合材料制备工艺的研 究进展[ J ] ．材料导报，2 0 0 8 ，2 2 5 7 8 8 2 ． [ 9 ] 赵芳欣，张瑛洁，尹绍奎，等．原位生成铸造T i B 2 ／A l 一7 S i 复合材料的微观特征及弹性模量[ J ] ．铸造，1 9 9 8 ，4 7 1 2 1 3 1 6 ． [ 1 0 ] 杨平．原位合成铝基复合材料凝固组织中T iB 2 粒子的 特性[ J ] ．中国有色金属学报，1 9 9 9 ，9 4 7 5 2 7 5 8 ． [ 1 1 ] 闫卫平，荣福杰，宋国金，等．混合盐法制备T i B z ／A 1 复 合材料的研究现状[ J ] ．铸造，2 0 0 6 ，5 5 1 1 1 1 1 4 一 1 1 1 7 ． E 1 2 ] 赵瑞锋，刘忠侠，杨明生，等．M g 对原位合成T i B z ／A l 一 7 S i 复合材料的微观组织及力学性能的影响[ J ] ．中国 有色金属学报，2 0 0 9 ，1 9 9 1 5 4 8 1 5 5 4 ． [ 1 3 ] 徐萌，陈刚，赵玉涛，等．电磁搅拌制备T i B 。颗粒增强 7 0 5 5 铝基复合材料的研究I - 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