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        (TiB2+Al3Ti)增強鋁基復(fù)合材料的研制

        2011-01-26 02:46:42張保林
        時代農(nóng)機 2011年7期
        關(guān)鍵詞:熔體原位反應(yīng)時間

        張保林

        (陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000)

        1 試驗

        (1)試驗材料。采用熔體直接反應(yīng)來制備復(fù)合材料,基體合金為ZL102,原位反應(yīng)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(yù)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(zhì)、有機物和水蒸氣。將一定質(zhì)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(nèi),使之與Al熔體充分發(fā)生反應(yīng),并不斷攪拌,當(dāng)反應(yīng)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(zhì)劑,攪拌10min。再將熔體表面的渣扒去,當(dāng)熔體溫度降至730℃時出爐澆注到金屬模型。

        2 結(jié)果與分析

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

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

        圖1 Al-Si基復(fù)合材料的X射線衍射圖譜

        (2)(TiB2+Al3Ti)/ZL102 制備工藝參數(shù)分析。 (TiB2+Al3Ti)/ZL102復(fù)合材料的制備工藝參數(shù)采用分析對比設(shè)計值,即按能生成TiB2的質(zhì)量百分數(shù)為1%和3%,來配比KFB4和K2TiF6,反應(yīng)溫度取1000℃和1100℃,反應(yīng)時間取10min和20min。

        然后用掃描電鏡對兩種復(fù)合材料的凝固組織進行分析,如圖2所示。

        (a)生成TiB2的質(zhì)量百分數(shù)為 1%,反應(yīng)溫度取 1000℃,反應(yīng)時間取10min

        (b)生成TiB2的質(zhì)量百分數(shù)為3%,反應(yīng)溫度取1100℃,反應(yīng)時間取20min

        圖2 不同工藝參數(shù)制備的復(fù)合材料的掃描組織

        由圖2(a)可見,當(dāng)加入能生成TiB2的質(zhì)量百分數(shù)為1%的KFB4和K2TiF6反應(yīng)混合物,反應(yīng)溫度取1000℃,反應(yīng)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(fù)合材料的綜合力學(xué)性能比較優(yōu)異。由圖2(b)可見,當(dāng)加入能生成TiB2的質(zhì)量百分數(shù)為3%的KFB4和K2TiF6反應(yīng)混合物,反應(yīng)溫度取1100℃,反應(yīng)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(shù)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(yīng) 10min 時,增強顆粒在熔體中的分布已經(jīng)十分均勻,顆粒尺寸細小,擴散過程基本結(jié)束。當(dāng)反應(yīng)20min時,由于反應(yīng)時間的延長,使得顆粒不斷長大和吞并,顆粒發(fā)生團聚現(xiàn)象。所以,最佳反應(yīng)時間為10min。

        由圖 2(a)(b)對比還可以看出,當(dāng)反應(yīng)溫度為 1000℃,增強顆粒生成已經(jīng)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(yīng)溫度越高,反應(yīng)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(xiàn)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(yīng)溫度選取1000℃,理想的反應(yīng)物加入量為能生成1%TiB2的 KFB4和K2TiF6反應(yīng)混合物。

        (3)(TiB2+Al3Ti)/ZL102 的組織分析。 從圖 2 可以看出,在原位復(fù)合材料組織中,出現(xiàn)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?;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(fù)合材料的力學(xué)性能高于ZL102基體材料。除此之外,原位復(fù)合材料的晶體內(nèi)并沒有產(chǎn)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(yīng)力集中的產(chǎn)生。這使得復(fù)合材料力學(xué)性能更進一步提高。

        3 結(jié)論

        (1)原位反應(yīng)法是制備原位(TiB2+Al3Ti)鋁基復(fù)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(fù)合材料。

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

        (3)金相顯微組織分析表明:在(TiB2+Al3Ti) /ZL102原位復(fù)合材料中,由于增強顆粒的原位合成,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(fù)合材料的力學(xué)性能高于ZL102基體材料。

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