中国有色金属学报第8卷第2期1998年6月
Vol.8 No.2Jun.1998TheChineseJournalofNonferrousMetals
颗粒增强铝基复合材料的组织与性能
凌兴珠 徐振民
(中南工业大学粉末冶金研究所,长沙410083)
①
摘 要 用熔铸法制备了TiB2和SiC颗粒增强铝基复合材料,评价了TiB2/Al和SiC/Al复合材料
的硬度,研究了增强剂的加入方式和体积分数对TiB2/Al复合材料拉伸性能的影响;并用扫描电镜分析了复合材料的显微组织。结果表明,TiB2颗粒对Al基体的增强效果比SiC颗粒好,Ti,B化合物的增强效果优于TiB2粉末,复合材料的力学性能随TiB2体积分数增加而提高;用含Ti,B化合物的混合物增强的1.5%TiB2/Al(体积分数)复合材料的热轧退火态性能为σb160.4MPa,δ13.1%,铸态HB
451MPa。SEM观察结果表明,在铝基体中添加Ti、B化合物的混合物能在基体中原位生成TiB2颗
粒。
关键词 颗粒增强 铝基复合材料 TiB2
中图法分类号 TB323
60,MMC)已料,采用的增强颗粒有两类:一类是Al2O3,SiC,TiC,B4C等陶瓷颗粒,目的是提高材料
1 试验方法
试验采用常规铝合金熔炼工艺与设备制取
铝基复合材料。以工业纯铝(L1)为基
μm),β2SiC粉体,增强剂有TiB2粉(3.33
(4.01μm)和Ti,B化合物。增强剂加入方式
的硬度、强度和耐磨擦磨损性能;另一类是固体润滑剂颗粒,如石墨,云母,MoS2和BN等,用以减少滑动摩擦和磨损[1],SiC和Al2O3是使用最多的增强颗粒。近年来,TiB2颗粒增强铝基复合材料的研究日益增多,其中以美国、日本、欧洲研究最为活跃
[2-8]
选用强制加入和原位生成两种,前者即直接加入粉末,后者即加入Ti,B化合物的混合物,
熔炼过程中原位生成TiB2颗粒。制备时先熔化纯铝,加熔剂保护,再加增强剂并同时搅拌均匀,于金属模中浇注然后进行冷、热轧制并加工成拉伸试样。为了作比较,本实验还用相同条件制备了纯铝基体材料。测试了σb,δ%,HB,进行了SEM分析等。实验结果HB取3个样品的9个测量值的平均值,σb和δ%均为8个样品的平均值。
,TiB2具有
高的熔点、硬度和弹性模量,耐热、耐蚀和抗氧化能力强。在某些情况下,TiB2/Al的硬度和强度比SiC/Al更高[2],因此TiB2是一种很有潜力的增强剂。
颗粒增强铝基复合材料的制造工艺有粉末冶金法和熔铸法。如果按颗粒的加入方式,又可分为强制加入和原位生成两种方法,原位生成法制备的MMC有更优良的性能。本试验用熔铸法制备了TiB2/Al和SiC/Al复合材料,探索了用熔铸法制备原位生成TiB2/Al复合材料的可行性。
2 实验结果及讨论
2.1 增强剂种类对铝基复合材料硬度的影响
①国家自然科学基金资助项目59472012 收稿日期
:1997-09-02;修回日期:1998-01-05 凌兴珠,女,副教授
第8卷第2期 凌兴珠等:
颗粒增强铝基复合材料的组织与性能・287・
用强制加入3%的TiB2(体积分数)粉或SiC粉的方法,制备了TiB2/Al和SiC/Al两种材料;其铸态布氏硬度HB结果比较列于表1。
表1 增强剂种类对铝基复合材料硬度的影响
SiC高,故TiB2对提高2014Al合金的弹性模
量比SiC更有效。例如添加11%TiB2(体积分
数)的2014Al合金其弹性模量与添加16%SiC的2014Al合金相当,若两者添加的体积分数相同时,TiB2的增强效果优于SiC,且TiB2在提高复合材料的强度和硬度方面比SiC更为有效[2,5]。本实验两种复合材料HB值的比较显示了同样的趋势。2.2 增强剂加入方式的选择
以TiB2颗粒为增强剂,比较强制加入TiB2粉与加入Ti,B化合物原位生成TiB2颗
Table1 Influenceofreinforcingagentsonhardnessofaluminium
matrixcomposite
MaterialSiC/AlTiB2/AlPureAl
Reinforcingagent
HB/MPa361412237
Hardnessincrease/%52.373.8/
β2SiCpowder
TiB2powder
/
由表1可见,TiB2/Al的HB值明显高于
SiC/Al,与基体相比,布氏硬度提高约74%,可以认为TiB2比SiC好[2]TiB2,、TiB2增。此外,润湿性是熔铸法制备MMC时至关重要的问题。实验中,TiB2和SiC粉经同样的预处理,但TiB2粉与Al液的润湿性优于SiC粉。熔体上部灰渣较少,实际进入复合材料的TiB2量多于SiC,这也是TiB2/Al的HB值高于SiC/Al的重要原因。SiC与Al的润湿性较差,用熔铸法制备SiC/Al,一般都应对SiC粉表面进行涂覆处理,否
粒两种方式对复合材料性能的影响,其结果如表2所列:
Ti,其σb和TiB2粉末的复合材料的相应性能,且冷轧态σb的提高趋势比热轧退火态更明显。与纯铝基体相比,当加1.5%TiB2(体积分数)时,添加Ti,B化合物与TiB2粉末的复合材料,其冷轧态σb的提高率
分别为49.6%和18.2%;铸态HB的提高率分别为71.5%和18.3%。
结果表明,加入Ti,B化合物的增强效果明显优于强制加入TiB2粉末的增强效果。马宗义等人[6]研究认为,原位生成的TiB2粒子具有亚微尺寸(约0.1μm),且表面清洁无反应产物,与铝基体界面结合良好。这类复合材料比常规材料具有更高的强度和模量,本实验方法尽管与文献[6]不同,但在高温下Ti,B
则加入效果太差。SiC与Al的润湿角只有在高于1000℃时才会急剧减小[4]。Roebuck等人[2]的研究表明,由于TiB2的弹性模量比
表2 增强剂加入方式对TiB2/Al复合材料性能的影响
Table2 Influenceofadditionmethodofreinforcingagent
onpropertiesofTiB2/Alcomposite
Addition
method
-TiB2powderTi,Bcompound
Additionamount(Volumefraction)
/%
00.91.50.91.5
σb/MPa
Cool
rolling114.0128.1134.7160.6170.6
Hotrollingandannealing
-127.6129.8126.2160.4
Coolrolling11.18.56.57.06.7
δ/%
Hotrollingandannealing
11.511.613.212.613.1
HB/MPaCasting[**************]
・288・中国有色金属学报 1998年6
月
化合物与铝液反应也原位生成TiB2颗粒,这一
点由下面的微观分析可以得到验证。强制加入TiB2粉时,它与Al的润湿性比SiC好,但其
润湿角不为0,现有的预处理工艺仍不能使TiB2粉全部搅入Al液中。实验中亦发现熔体
上方的灰渣较多。此外,由于润湿性欠佳,已进入熔体内部的细TiB2粉也容易聚集,不如加Ti,B化合物所生成的TiB2颗粒弥散均布。TiB2的实际加入量较少以及可能团聚这两方面的原因使强制加入方式的增强效果不理想。
(2)两种加入方式所得TiB2/Al复合材料在相同状态时的延伸率接近,但对同种方式而言,冷轧态延伸率均明显低于热轧退火态。这是由于冷作硬化使塑性明显降低,而热轧后退火消除加工硬化使塑性改善。2.3 2/TiB1由图1可以看出:
(1)随强制加入的TiB2粉末量的体积分数由0.6%增加到1.5%,材料冷轧和热轧退火态的σb稍有提高,HB则几乎不变。当加入量相同时,冷轧态σb比热轧退火态提高。如前所述,这种结果与实验中润湿性差以及TiB2粉的真实加入量较少等因素有关,在未进一步改善润湿性的情况下,TiB2粉加入量增多,实际进入熔体的粉末量并不成比例增加,因而σb提高幅度有限,而HB则几乎不变。
(2)随Ti,B化合物加入量增加,材料冷轧和热轧退火态的σb以及铸态HB均迅速提高。与基体相比,添加1.5%TiB2(体积分数)的复合材料冷轧态σb和铸态HB分别提高49.6%和71.5%。
图1 TiB2颗粒增强铝基复合材料力学性能
Fig.1 MechanicalpropertiesofTiB2
particlesreinforcedaluminium
matrixcomposite
(a)—Tensilestrength;(b)—Brinellhardness
行SEM分析。其结果如图2,3所示。
分析图2,3结果可得:
(1)图2(a)的SEM形貌表明,在铝基体上分布有大小不等的灰白色粒状物。由Ti面分析(b)看出,与(a)中粒状物对应处有密集的含Ti白亮点,说明粒状物为含Ti化合物。由于试样添加的就是TiB2粉,故该粒状物即强制加入的TiB2颗粒。尽管润湿性不够理想,(c)中还存在团聚现象,但TiB2粉末确已进入铝基体中,说明本实验熔铸工艺可行。
(2)图3(a)的形貌与图2(a)明显不同,
在弥散均布的TiB2颗粒周围会产生高的位错密度,形成应力场,增加变形阻力引起强化。当Ti,B化合物加入量增多,原位生成的TiB2微粒也增多,因而强化效果亦愈加明显。2.4 SEM微观分析
为验证MMC中增强相的存在,
对试样进
第8卷第2期 凌兴珠等:颗粒增强铝基复合材料的组织与性能・289・
图2 1.5%TiB2/Al(
)
Fig.2 .2/composite(addedTiB2powder)
(Surfacescanningof(a);(c)—AggregationofTiB2particle()2;—
图3 1.5%TiB2/Al(体积分数)复合材料SEM分析(加入Ti,B化合物)
Fig.3 SEManalysesof1.5%TiB2/Al(Volumefraction)
compesite(addedTi,Bcompound)
(a)—Surfacescanningof(a)1.5
%TiB2/Al(Volumefraction);(b)—
图3(a)组织较均匀弥散,放大2000倍仍分辨不清TiB2颗粒的外形。与分析添加TiB2粉末的情况相似,Ti面分析(b)证明了添加Ti,B化合物时,在铝基体中形成了含Ti的化合物。本实验同期工作[9]表明,这些化合物是高温反应原位生成的TiB2颗粒。
・290・中国有色金属学报 1998年6月
andEngineering(兵器材料科学与工程),1990,6:30.
2 RoebuckBandFornoAEJ.ModernDevelopments
inPowderMetallargy,1988,20:451.
3 WangLingsen(王零森).SepecialCeramics(特种陶
3 结论
(1)采用熔铸法制备TiB2/Al复合材料的
瓷).Changsha:CentralSouthUniversityofTechnolo2
gyPress,1994:35.
4 SarappaMKandRonatgiPK.JofMaterialsSci2ence,1981,16:983.
5 FuZhengyi(傅正义),YuanRunzhang(袁润章)
andMunirZA.ActaMaterialCompositeSinica(复
工艺简单,增强剂加入量少,增强效果明显。
(2)在相同实验条件下制备的TiB2/Al和SiC/Al复合材料中,前者的布氏硬度比后者
明显提高,说明TiB2对工业纯铝的硬化效果比SiC好。
(3)将Ti,B化合物加入工业纯铝熔体中在高温下反应,可能原位生成弥散分布的TiB2颗粒,其增强效果比直接加入TiB2粉末好。
(4)随Ti,B化合物加入量增多,TiB2/Al复合材料的σb和HB提高。
1 TongJin佟 金),ChenBingcong(陈秉聪)and
RenLuquan(任露泉).OrdnanceMaterialScience
合材料学报),1994,11(2):91.
6 MaZongyi(马宗义),BiJing(毕 敬),LuYux2iong(吕毓雄)etal.ActaSinica(金属
),,28(AK,VVetetMeterlalia,1990,24:
8 MccoyJW,JonesCandWawnerFE.SAMPEQuarterly,1988,19(2):27.
9 LingXingzhu(凌兴珠)andXuZhenmin(徐振
民).JournalofCentralSouthUniversityofTechnolgy
(中南工业大学学报),1997,28(6):564.
STRUCTUREANDPROPERTYOFPARTICLEREINFORCED
ALUMINIUMMATRIXCOMPOSITE
LingXingzhuandXuZhenmin
PowderMetallurgyResearchInstitute,
CentralSouthUniversityofTechnology,Changsha410083,P.R.China
ABSTRACT TiB2andSiCparticlereinforcedaluminiummatrixcompositeswerepreparedbycasting.Thehardnessof
TiB2p/AlandSiCp/Alcompositeswereevaluated.TheeffectsofadditionmethodandvolumefractionofreinforcementontensilepropertyofTiB2p/Alcompositeswerestudied.ThemicrostructruesofthecompositeswereanalyzedbySEM.TheresultsindicatethathardeningefficiencyofTiB2particleisbetterthanthatofSiCparticle,thereienforcementefficiencyofTiorBcompoundissuperiortoTiB2powder;themechanicalpropertiesofcompositesincreasewithincreasingvolumefractionofTiB2.Thepropertiesof1.5%TiB2/Al(volumefraction)reinforcedusingamixtureofTiandBcompoundare
σpectively.SEMobservationshow
b=160.4MPa,δ=13.1%ashotrolledandannealedandHB=451MPaascast,res
thattheTiB2particlein2situformedinanaluminiummatrixwhenamixtureofTiandBcompoundwereaddedtomatrix.
Keywords particlereinforcement aluminiummatrixcomposites TiB2
(编辑 黄劲松)