衛(wèi)佳樂，白亞平，劉萌萌，李建平

(西安工業(yè)大學 材料與化工學院，西安710021)

7075鋁合金的主要元素是Al-Zn-Mg-Cu，其具有優(yōu)良的韌性、加工性能和耐腐蝕性，但是由于其較差的磨損性能而制約了其廣泛應用[1-3]。近年來，研究發(fā)現(xiàn)通過熱處理、第二相強化等方法可顯著提高合金的力學性能，以纖維、陶瓷及硬質合金顆粒作為增強相制得的金屬基復合材料，其力學性能得到了質的提高[4-6]，在交通運輸、軍事國防以及航空航天領域擁有十分廣闊的應用前景[7-9]。TiB2、TiC陶瓷顆粒硬度高，熱膨脹系數(shù)較小，是較為理想的增強相[10-12]。

文獻[13]在探究TiB2顆粒對TiB2/2024和TiB2/7075鋁基復合材料銑削加工性能和表面完整性的影響時，發(fā)現(xiàn)原位TiB2顆粒聚集在晶界處并分散在基體合金內，阻礙了基體合金的位錯運動，提高了復合材料的強度。文獻[14]采用激光熔覆技術制備了Ni基耐磨涂層，發(fā)現(xiàn)TiC的加入能有效抑制板條狀Ni3Ta金屬間化合物的形成和裂紋的產生，具有優(yōu)異的耐磨性和韌性,且該涂層的耐磨性為基體的4倍。文獻[15]研究發(fā)現(xiàn)，采用反應熔覆技術結合自蔓延高溫合成技術所制造的TiB2-TiCx復合涂層，具有較高的硬度及熱穩(wěn)定性，在20N載荷的作用下，基體及涂層的損失量相對減少了90%，大幅度提高了鋁合金表面的耐磨性。文獻[16]采用燃燒合成反應致密一體化制備了(TiB2-TiC)/Al-Cu-Mg復合材料，研究發(fā)現(xiàn)，隨著陶瓷相TiB2和TiC體積分數(shù)的增加，復合材料的最大壓縮強度，屈服強度和斷裂應變均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。當陶瓷相體積分數(shù)為40%時，在室溫下和高溫下復合材料均具備最優(yōu)異的壓縮性能。到目前為止，人們已經研究了很多TiB2、TiCx顆粒對基體強度及耐磨性能的改善，但是對自生TiB2-TiCx作為增強相的研究還很少。

基于此，文中采用高能球磨與熱壓燒結相結合的方法制備了w(TiB2-TiCx)分別為10%、20%、30%、40%的TiB2-TiCx/7075Al基復合材料，對其微觀組織、硬度和室溫壓縮性能進行了測試分析，并總結出自生TiB2-TiCx含量對7075鋁合金組織和力學性能的影響規(guī)律。

1 實驗材料及檢測方法

文中所用原材料為長沙天玖公司生產的7075鋁粉、鈦粉與硼化碳粉，各粉體的具體純度和粒度見表1。

表1 試驗原材料

將鈦粉及硼化碳粉通過機械合金化誘發(fā)自蔓延高溫反應[17]，合成TiB2-TiCx粉。根據(jù)方程式3Ti+B4C→2TiB2+TiC，將初始反應物Ti粉27.46 g，B4C粉10.54 g中，加入10%的硬脂酸，在YXQM-4L行星式球磨機中球磨40 h，球料比為10∶1，轉速為300 r·min-1，可獲得理論生成物TiB2粉26.55 g，TiC粉11.45 g。

將制備的TiB2-TiCx粉與7075鋁粉混合，采用見表2的TiB2-TiCx/7075Al基復合粉體成分配比方案，稱取總質量為40 g的7075鋁粉和TiB2-TiCx粉，加入5%的硬脂酸，在YXQM-4L行星式球磨機中球磨5 h，球料比為3∶1，轉速為100 r·min-1。分別研究w(TiB2-TiCx)為10%、20%、30%和40%時對7075鋁合金組織和力學性能的影響。將所制得的TiB2-TiCx/7075混合粉體放入ZT-40-20Y真空熱壓爐中，進行熱壓燒結，具體的燒結工藝為：將混合均勻的粉體送入直徑為?50 mm的石墨模具中進行燒結，真空度為10-1～10-3Pa、燒結溫度為520 ℃、燒結壓力為20 MPa，最終燒結所得的試樣尺寸約為?50 mm×10 mm。

表2 TiB2-TiCx/7075復合粉體成分配比方案

用日本島津-6000X射線衍射儀分析不同TiB2-TiCx含量的TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的物相結構，測試試樣尺寸為5 mm×5 mm×10 mm。在測試過程中，電壓和電流分別為：40 kV和30 mA，以連續(xù)掃描的方式進行掃描，其中，掃描范圍為2θ(20°～90°)，掃描速度為4°/min；采用VEGAⅡXMU型掃描電子顯微鏡觀察增強相的分布、顆粒的大小、形貌及微觀組織，同時用該掃描電鏡配套的能譜儀分析各復合材料的成分；利用402MVD自動轉塔數(shù)顯微維氏硬度計測量其硬度，在載荷為200 g、保壓時間為15 s的條件下進行維氏硬度測試；采用D2-0200-1型電子萬能拉伸試驗機對其抗壓強度進行測試，試樣尺寸為4 mm×4 mm×6 mm，壓縮速度為0.2 mm·min-1。

2 實驗結果與分析

2.1 自生TiB2-TiCx粉體的微觀組織

圖1為自生TiB2-TiCx粉體形貌、XRD衍射譜圖及EDS分析。由圖1(a)可知：通過機械合金化誘發(fā)自蔓延反應而生成的TiB2-TiCx混合粉體，大多為均勻的圓顆粒狀；從XRD衍射譜圖可以看出，該混合粉體中的物相有TiB2、TiCx、Ti3B4和B4C等，在反應過程中，Ti粉與B4C粉產生的中間相TiB，可與B4C粉反應[17-18]生成Ti3B4相(5Ti+B4C=4TiB+TiC，16TiB+B4C=5Ti3B4+TiC)；將該粉體放大120 000倍，并對其中一個顆粒進行EDS分析，該顆粒上存在Ti、C和B元素。

圖1 自生TiB2-TiCx粉體形貌、XRD衍射譜圖及EDS分析

2.2 TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的微觀組織

圖2為w(TiB2-TiCx)=0%～40%的TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的XRD衍射譜圖，由圖2可知：在7075鋁合金材料中，Zn、Mn、Cu等元素固溶在Al中，與7075鋁合金材料相比，w(TiB2-TiCx)=10%的TiB2-TiCx/7075Al基復合材料在Al(Zn，Mn，Cu)固溶體相的基礎上，生成的新相有TiB2和TiCx等；而w(TiB2-TiCx)分別為20%、30%的TiB2-TiCx/7075Al基復合材料中，在Al(Zn，Mn，Cu)、TiB2和TiCx等物相的基礎上，出現(xiàn)了新的相Ti3B4，其形成的原因主要有兩點：球磨過程中，Ti粉與B4C粉產生的中間相TiB，再次與B4C粉反應生成Ti3B4；燒結過程中，隨著溫度的上升，已形成的TiB2相，與原增強相粉體中剩余未反應的Ti粉和B4C粉，再次結合生成Ti3B4。當增強相TiB2-TiCx含量增至40%時，在上述物相的基礎上，復合材料中又出現(xiàn)了B4C相，這是因為原增強相粉體中剩余有未反應的B4C粉。

圖3為不同含量TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的微觀組織，表3為圖3中對應區(qū)域的EDS分析結果。由圖3可知：7075Al合金的微觀組織為灰色基體相Al(Zn，Mg，Cu)和分布均勻的白色點狀物，結合表3可知，區(qū)域1的點狀物為富銅相，w(TiB2-TiCx)=10%的復合材料中TiB2-TiCx含量相對較少，增強相顆粒在基體中分布較為分散；當TiB2-TiCx含量為20%時，復合材料的微觀組織較為均勻，未出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，這主要是因為，在熱壓燒結的過程中，合金中Al含量較多，會吸收一部分熱量，增強相就不易吸熱長大，從而在基體中分布較為均勻。此外，表3中1-3區(qū)域出現(xiàn)了O元素，這是由于在制樣(球磨與熱壓燒結)過程中，真空環(huán)境和保護性氣氛中仍存在較低的氧分壓所造成；而當w(TiB2-TiCx)分別為30%、40%時復合材料中加入的TiB2-TiCx含量較多，增強相均出現(xiàn)了團聚現(xiàn)象，且團聚程度隨增強相含量的增加而增大。結合表3和圖2中的XRD衍射譜圖可知，區(qū)域4的黑色顆粒狀為B4C相，這是由于復合材料中增強相含量較多，原增強相粉體中剩余較多未反應的B4C粉造成。

圖2 w(TiB2-TiCx)=0%～40%TiB2-TiCx/7075復合材料XRD衍射譜圖

圖3 w(TiB2-TiCx)=0%～40%TiB2-TiCx/7075復合材料微觀組織

表3 圖3對應EDS分析結果

利用圖像處理軟件對不同含量的TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的顯微組織圖像進行了處理。用黃色標記顆粒增強相并測量其面積。將顆粒面積法與等面積圓面積法相結合[19]，計算公式為

(2)

式中：di為目標顆粒的粒徑;Ai為單個粒子的面積，π為圓周率。

用晶粒均勻度(GME)特征參數(shù)表征了復合材料的微觀結構分布。它的定義為圖像中所有晶粒粒徑大小的標準偏差與粒徑大小期望值的比值。GME值越小，晶粒分布的均勻性越好。計算公式如下式所示。

(3)

(4)

(5)

式中：σd為晶粒粒徑大小的標準差;μd為晶粒粒徑大小的期望值。

根據(jù)計算可得：當w(TiB2-TiCx)分別為10%、20%、30%、40%，該復合材料的GME值分別為0.54、0.19、0.29、0.43，結合圖3的微觀組織分布情況，可以得出，當復合材料中TiB2-TiCx含量為20%時，微觀組織最為均勻，當TiB2-TiCx含量為10%時，增強相含量相對較少，其在基體中分布較分散，當w(TiB2-TiCx)分別為30%、40%時，復合材料中增強相均出現(xiàn)了團聚現(xiàn)象，且團聚程度依次增大。

圖4 w(TiB2-TiCx)=10%～40%TiB2-TiCx/7075復合材料微觀組織(處理后)

2.3 TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的維氏硬度

圖5為TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的硬度隨增強相含量變化曲線，由圖可知：隨著增強相含量增加，復合材料的硬度呈現(xiàn)上升趨勢，當TiB2-TiCx含量為20%時，復合材料的維氏硬度為273.5 HV，與7075Al合金材料(80.5HV)相比，提高了239.7%。TiB2-TiCx/7075Al基復合材料硬度隨增強相含量增加而持續(xù)上升的主要原因是，硬質相TiB2-TiCx均勻分布在基體中，起到了彌散強化的作用，使復合材料的硬度顯著提高。

圖5 w(TiB2-TiCx)=0%～40% TiB2-TiCx/7075復合材料硬度曲線圖

2.4 TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的壓縮性能

圖6為TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的壓縮應力-應變曲線與抗壓強度、壓縮率隨增強相含量變化曲線圖。由圖6可知：隨著增強相TiB2-TiCx含量的增加，TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的抗壓強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當TiB2-TiCx含量為20%時，復合材料的抗壓強度達到最大值796.5 MPa，由于材料組織決定其性能，結合圖3(c)，當TiB2-TiCx含量為20%時，增強相在基體中分布均勻，使得其抗壓強度較大；而當TiB2-TiCx含量為30%、40%，復合材料中增強相均出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，故二者抗壓強度均降低。而壓縮率則隨增強相TiB2-TiCx含量的增加而減小，是因為7075Al合金的韌性較好，隨著增強相TiB2-TiCx含量的增加，基體與增強相間的界面也隨之增多，在壓縮過程中，材料承受的力通過基體傳給增強相時，其難與基體協(xié)調變形，尤其是TiB2-TiCx含量增加到30%、40%，增強相在基體中發(fā)生了團聚，造成明顯的應力集中，界面增多使材料容易開裂，降低了TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的塑性。

圖6 w(TiB2-TiCx)=0%～40% TiB2-TiCx/7075復合材料壓縮應力-應變曲線與抗壓強度、壓縮率隨增強相含量變化曲線圖

圖7和圖8分別為TiB2-TiCx/7075Al基復合材料壓縮斷口的宏觀形貌圖和微觀形貌圖。由圖7可知，當TiB2-TiCx含量為20%時，復合材料的斷口平整，斷面較為整齊，而隨著增強相含量的增加，復合材料的斷口呈不規(guī)則形狀，斷面與橫截面呈45°～55°夾角的傾斜平面，表明試樣因剪切而斷裂。由圖8可知：當w(TiB2-TiCx)=10%，復合材料的壓縮斷口中出現(xiàn)了“類解理”平面，為準解理斷裂的基本微觀特征，因此初步判定其斷裂機理為準解理斷裂；當w(TiB2-TiCx)=20%，復合材料的壓縮斷口中出現(xiàn)了河流狀花樣和臺階狀花樣，并且存在一條明顯的裂紋；當w(TiB2-TiCx)=30%，復合材料的壓縮斷口呈晶粒狀；當w(TiB2-TiCx)=40%，復合材料斷口中有典型的舌狀花樣，河流、解理和舌狀花樣均為解理斷裂的基本微觀特征。因此增強相含量由10%增至40%，TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的斷裂機理由準解理斷裂轉變?yōu)榻饫頂嗔?，準解理斷裂介于解理斷裂和韌窩斷裂之間，隨著增強相TiB2-TiCx含量的增加，降低了復合材料的塑性，斷裂機理轉變?yōu)榻饫頂嗔?。根?jù)斷口的失效分析可知：隨著增強相TiB2-TiCx含量的增加，復合材料中的TiB2-TiCx發(fā)生團聚現(xiàn)象，基體與增強相間的界面也隨之增多，在壓縮過程中，材料承受的力通過基體傳給增強相時，由于TiB2-TiCx發(fā)生團聚使增強相難與基體協(xié)調變形，且界面較多容易造成開裂現(xiàn)象，因此由準解理斷裂變?yōu)榻饫頂嗔选?/p>

圖7 w(TiB2-TiCx)=10%～40% TiB2-TiCx/7075復合材料斷口宏觀形貌圖

圖8 w(TiB2-TiCx)=10%～40% TiB2-TiCx/7075復合材料斷口微觀形貌圖

3 結 論

通過使用高能球磨與熱壓燒結相結合的方法制備了w(TiB2-TiCx)=0%～40%的TiB2-TiCx/7075Al基復合材料，并對該復合材料的微觀組織、硬度以及抗壓強度進行了分析，得出以下的結論：

1) 7075鋁合金中存在Al(Zn，Mn，Cu)固溶體相和富銅相，加入TiB2-TiCx增強相后，TiB2-TiCx/7075Al基復合材料中又出現(xiàn)TiB2、TiCx、Ti3B4和B4C等物相，當TiB2-TiCx含量為20%時，增強相在基體中的分布比較均勻，而當其含量增加至30%和40%時，TiB2-TiCx在基體中出現(xiàn)團聚現(xiàn)象且團聚程度逐漸增大；

2) 隨著TiB2-TiCx含量的增加，TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的硬度呈現(xiàn)上升趨勢，抗壓強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當TiB2-TiCx含量為20%時，TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的維氏硬度為273.5 HV，與未添加TiB2-TiCx的7075鋁合金相比，硬度提高了239.7%，抗壓強度達到最大值為796.5MPa;

3) 當TiB2-TiCx含量為10%時，TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的壓縮斷口中存在的“類解理”平面，此為準解理斷裂的基本微觀特征，當TiB2-TiCx含量增加到20%時，斷口中存在河流狀花樣和臺階狀花樣，當TiB2-TiCx含量增至40%，斷口中存在舌狀花樣，均為解理斷裂的基本微觀特征。因此當增強相含量由10%增至40%，TiB2-TiCx/7075Al基復合材料的斷裂機理由準解理斷裂轉變?yōu)榻饫頂嗔选?/p>