(TiB2+Al3Ti)增強鋁基復合材料的研制

張保林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 材料工程學院，陜西 咸陽 712000）

1 試驗

（1）試驗材料。采用熔體直接反應來制備復合材料，基體合金為ZL102，原位反應物為KFB4和K2TiF6粉末。

（2）試驗方法。將KFB4和 K2TiF6粉末混合，為了降低樣品的氣孔率，對混合粉末進行預處理。首先將按一定比例配好的KFB4和K2TiF6粉混合后在高能球磨機上球磨1h，其球磨速度為400r/min。將球磨后的混合粉末在萬能材料試驗機上壓坯，其表面壓力為10MPa。然后把壓塊在300℃保溫2h，以去除壓塊中的雜質、有機物和水蒸氣。將一定質量的ZL102在電阻爐中加熱到950℃，保溫30min，再將所壓得的坯料加入熔體中，用壓勺將坯料壓入熔體內，使之與Al熔體充分發(fā)生反應，并不斷攪拌，當反應完成后，在熔體溫度降至760℃時加入精煉劑進行精煉除氣，精煉后扒去氧化皮和熔渣，均勻地撒上一層粉狀變質劑，攪拌10min。再將熔體表面的渣扒去，當熔體溫度降至730℃時出爐澆注到金屬模型。

2 結果與分析

復合材料的凝固組織影響著它的性能，因此控制復合材料的凝固過程和組織尤為重要。對于顆粒增強鋁基復合材料而言，顆粒的大小及其在基體中的分布是影響復合材料機械性能的重要因素。

（1）復合材料的相分析。 圖 1為（TiB2+Al3Ti）/ZL102 復合材料的X射線衍射圖譜。對XRD譜的物相分析結果表明：圖中存在TiB2、Al3Ti衍射峰，沒有出現其他可分辨的衍射峰，說明通過原位反應法制備了TiB2和Al3Ti兩相顆粒協同增強的Al-Si基復合材料。

圖1 Al-Si基復合材料的X射線衍射圖譜

（2）（TiB2+Al3Ti）/ZL102 制備工藝參數分析。 （TiB2+Al3Ti）/ZL102復合材料的制備工藝參數采用分析對比設計值，即按能生成TiB2的質量百分數為1%和3%，來配比KFB4和K2TiF6，反應溫度取1000℃和1100℃，反應時間取10min和20min。

然后用掃描電鏡對兩種復合材料的凝固組織進行分析，如圖2所示。

（a）生成TiB2的質量百分數為 1%，反應溫度取 1000℃，反應時間取10min

（b）生成TiB2的質量百分數為3%，反應溫度取1100℃，反應時間取20min

圖2 不同工藝參數制備的復合材料的掃描組織

由圖2（a）可見，當加入能生成TiB2的質量百分數為1%的KFB4和K2TiF6反應混合物，反應溫度取1000℃，反應時間取10min時，生成的增強顆粒多，顆粒細小，分布均勻，Al3Ti沒有聚集，對基體材料沒有割裂作用，所以，此時復合材料的綜合力學性能比較優(yōu)異。由圖2（b）可見，當加入能生成TiB2的質量百分數為3%的KFB4和K2TiF6反應混合物，反應溫度取1100℃，反應時間取20min時，生成的增強顆粒尺寸明顯減小，但是增強顆粒數目反而減少，Al3Ti大量聚集，尺寸較大，對基體材料有破壞作用。

由圖 2（a）（b）對比可以看到，反應 10min 時，增強顆粒在熔體中的分布已經十分均勻，顆粒尺寸細小，擴散過程基本結束。當反應20min時，由于反應時間的延長，使得顆粒不斷長大和吞并，顆粒發(fā)生團聚現象。所以，最佳反應時間為10min。

由圖 2（a）（b）對比還可以看出，當反應溫度為 1000℃，增強顆粒生成已經比較多，而在1100℃時，生成的增強顆粒反而會減少，這主要是因為反應溫度越高，反應體系的熱量越多，過多的熱量會使得增強顆粒不斷長大和吞并，增強顆粒發(fā)生團聚現象，而且過高的溫度會使得加料變的困難，所以，綜合考慮之后，理想的反應溫度選取1000℃，理想的反應物加入量為能生成1%TiB2的 KFB4和K2TiF6反應混合物。

（3）（TiB2+Al3Ti）/ZL102 的組織分析。 從圖 2 可以看出，在原位復合材料組織中，出現了顆粒狀的TiB2和條狀的Al3Ti，TiB2尺寸細小，大部分為粒狀，條狀的Al3Ti長度約為10 μm，由于生成的增強顆粒粒化程度高，共晶硅對基體的連續(xù)性破壞作用很小，所以，（TiB2+Al3Ti）/ZL102原位復合材料的力學性能高于ZL102基體材料。除此之外，原位復合材料的晶體內并沒有產生偏聚組織，組織的形狀有點接近原球狀，這可以有效避免應力集中的產生。這使得復合材料力學性能更進一步提高。

3 結論

（1）原位反應法是制備原位（TiB2+Al3Ti）鋁基復合材料的一種有效方法,采用此法制備出了顆粒分布均勻組織致密的復合材料。

（2）在實驗的基礎上,對原位（TiB2+Al3Ti）鋁基復合材料制備工藝中的反應物的加入量、反應溫度、反應時間3個主要問題進行了分析探討,形成了合理的反應工藝體系。

（3）金相顯微組織分析表明：在（TiB2+Al3Ti） /ZL102原位復合材料中，由于增強顆粒的原位合成，顆粒?；潭雀?，共晶硅對基體的連續(xù)性破壞作用很小，所以，（TiB2+Al3Ti）/ZL102原位復合材料的力學性能高于ZL102基體材料。