DOC《原位自生TiB2p/Al-18%Si复合材料的组织和性能》

2 试验结果与分析 2.1 复合材料的微观组织 图1为Al-18%Si基体合金及6%TiB2p/Al-18%Si复合材料的微观组织. 收稿日期:2012-03-19 基金项目:国家大学生创新性实验项目资助(101073107) 作者简介:李庆林(1978-),男,甘肃临洮人,工程师. 图1 Al-18%Si合金(a)和原位生成6%TiB2p/Al-18%Si (b)的显微组织 Fig.1 Microstructure of Al-18%Si (a) and 6%TiB2p/Al-18%Si (b) composite 由图1可看出,TiB2p/Al-18%Si复合材料的共晶硅组织相对于铸态Al-18%Si过共晶合金中的要细小,长度变短;

粗大的α-Al枝晶得到明显的细化,二次枝晶间距减小.这主要是由于TiO2和KBF4在Al-18%Si熔体中通过原位反应获得了尺寸细小的TiB2颗粒. 赵芳欣等[9]通过TEM研究发现TiB2和α-Al之间存在着取向关系:(101)TiB2//(200)Al,[01]Al//[10]TiB2.因此,从晶体学角度证实,在凝固过程中铝能够在内生TiB2颗粒的共格对应面上进行原子的堆积和长大,从而提高α-Al形核率,使最终的凝固晶粒得到细化;

另外,高熔点的TiB2颗粒在凝固过程中被推移到液固界面前沿,阻碍了α-Al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入研究. 图2为TiB2p/Al-18%Si复合材料中TiB2颗粒SEM的形貌[1]. 图2 TiB2p/Al-18Si复合材料的SEM形貌 Fig.2 SEM microstructure of TiB2p/Al-18%Si composite 由图2可看出,熔体直接反应内生的TiB2颗粒十分细小,颗粒尺寸小于1 μm,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TiB2p/Al-18Si复合材料的背散射电子图像(BSE)以及铝、硅、钛、硼元素的面扫描分布图. 图3 6%TiB2p/Al-18%Si复合材料的背散射电子图像(BSE)及元素面扫描图 Fig.4 EPMA analysis of 6%TiB2p/Al-18%Si composite: (a) BSE;

(b) Al;

(c) Si;

(d) Ti;

(e) B 由图3d和3e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TiB2.出现局部团聚的原因主要是由于TiB2颗粒尺寸小于1 μm,使得TiB2颗粒存在较大的表面能,在凝固过程中内生的TiB2颗粒通过团聚增大体积,使表面能降低.因此,TiB2颗粒的团聚是影响材料性能的一个关键因素[10].文献报道[11-13],TiB2颗粒增强的复合材料制备过程能够消除或减弱TiB2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Mg、Li、Zr、RE、Te、Ti;

4)采用搅拌阻碍颗粒的团聚.因此,通过提高Al-18%Si合金的反应温度(1 000~1

050 ℃)、分步加料反应和采用机械搅拌的方法,使TiB2颗粒的团聚现象可以在一定程度上得到改善[1]. 2.2 TiB2p含量对复合材料力学性能的影响 2.2.1 硬度 不含TiB2的Al-18Si合金布氏硬度为58.2HB,2%TiB2p/Al-18%Si、4%TiB2p/Al-18%Si和6%TiB2p/Al-18%Si复合材料的布氏硬度分别为68.3 HB、75.4HB和82.4 HB,相对基体合金分别提高了17.3%、29.5%和41.6%.可以看出,随着生成TiB2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TiB2颗粒均匀分布于基体中,另外,内生的TiB2颗粒作铝的形核基底可以提高形核率,使α-Al的二次枝晶间距减小,起到细晶强化作用[14].因此,随着TiB2 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TiB2 的含量为6%时,复合材料的室温抗拉强度达到173.8 MPa,相比基体合金的131.5 MPa提高了32.2%,但延伸率δ随着TiB2 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Orowan[14-15]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TiB2含量的增加而增大,但延伸率随含量的增加而减小. 2.3 摩擦磨损性能 图4为不同TiB2 含量的Al-18%Si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. 图4 不同TiB2 含量Al-18%Si合金磨损量与时间的关系 Fig.4 Relationship between time and wear mass loss of Al-18%Si composites with different TiB2 content 由图4可以看出,合金的磨损量随时间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TiB2颗粒含量的增加,磨损量降低,耐磨性能提高.因此,TiB2p/Al-18%Si复合材料表现出了比基体Al-18%Si合金更优异的耐磨性能,且耐磨性随TiB2颗粒含量的增加而逐渐提高. 研究表明[16-17],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........