原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料研究进展

原位合成技术制备的铝基复合材料,权衡了强度和塑性间的矛盾,有望实现铝基复合材料的结构功能一体化。原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料比刚度,比模量高,具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能和抗疲劳性能,是近年来金属基复合材料的研究热点之一,在汽车制造、高铁动车、航空航天和国防军事等领域具有广阔的应用前景。归纳了三种原位合成TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料反应体系(Al-K_(2)TiF_(6)-KBF_(4)体系、Al-TiO_(2)-B_(2)O_(3)体系和Al-Ti-B体系)的特点和优势,概述了原位合成TiB_(2)颗粒对铝基体晶粒尺寸、界面结合和润湿性产生影响的研究现状,对TiB_(2)颗粒强化铝复合材料力学性能的作用机制展开了讨论,梳理总结现阶段在此领域研究过程中仍未解决的问题,展望TiB_(2)颗粒增强铝基复合材料的潜在发展空间,以期为研究和开发原位合成颗粒增强铝基复合材料提供参考。

纳米TiB_(2)/7075铝基复合材料超声滚压数值仿真研究

超声滚压数值仿真研究亟待丰富和深入开展。采用温度-应变率相关Johnson-Cook本构模型描述纳米TiB_(2)/7075铝基复合材料塑性变形行为,通过Gleeble热压缩模拟实验结合最小二乘拟合标定相关本构参数。利用有限元软件ABAQUS构建3D全六面体渐变网格模型,通过6个步骤对复合材料超声滚压强化过程进行了数值仿真研究。结果表明,残余应力分布的仿真结果与实测结果存在明显差异,但网格失效形式较好地反映了表层材料的开裂和分层,从模拟角度验证了往复超声滚压过程中过度塑性变形导致材料表面损伤的现象。该结果对金属基复合材料超声滚压工艺的探索和相关数值仿真研究的深入开展具有重要指导意义。

超声振动优化铝基复合材料中亚微米TiB_(2)颗粒分布及其对力学性能的影响

利用熔盐-金属反应法成功制备了9 mass%TiB_(2)颗粒原位增强Al-4.5Cu铝基复合材料,研究超声振动处理对团聚状亚微米TiB_(2)颗粒分布的改善作用。结果表明:利用超声振动产生的空化效应和声流效应,有效消除了熔体中颗粒团聚的现象。经超声处理4 min后,TiB_(2)颗粒均匀地分散在整个熔体中,由小于100 nm的TiB_(2)颗粒形成的微小团聚也被打散。复合材料凝固后,有一些小于400 nm的TiB_(2)颗粒分散在晶界附近的基体中。超声振动处理4 min后,复合材料的屈服强度比基体合金和未超声振动处理的复合材料分别提高119%和64.3%,这主要是由于超声振动处理使得TiB_(2)颗粒细小并弥散分布在复合材料的基体中,导致Orowan强化和热膨胀错配强化效果增强,从而使其强度增加。

原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的性能研究

针对传统铝合金无法满足工业和民用中对高强高导铝合金需求的问题,开发一种提升铝合金表面硬度且保证其导电导热性能的新型铝基复合材料。通过机械合金化法制备了Al-TiO_(2)-B混合粉末,采用放热弥散结合接触反应技术成功原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料,探究了原始粉末Al-TiO_(2)-B体系反应生成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的反应机理及反应温度对原位反应的影响,分析了铝基复合材料的微观组织形貌以及表面显微硬度和导电导热性能。XRD分析结果表明,反应温度达到1100℃保温200 min后,原始粉末Al-TiO_(2)-B体系中的TiO_(2)和B粉末完全反应,并且在反应过程中B粉抑制了中间产物Al3Ti和AlB2的生成,最终原位生成为Al_(2)O_(3)和TiB_(2)颗粒混杂增强的铝基复合材料。显微组织观察表明,在铝基体中原位生成了TiB_(2)颗粒(直径小于1μm)和Al_(2)O_(3)颗粒(粒径约为2μm),且铝基复合材料表面组织均匀致密。原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)混杂颗粒增强铝基复合材料的电导率为46.1%IACS,热导率约为198.5 W·m-1·K-1,显微硬度较传统A356铝合金的68 HV提升至76 HV,新型原位合成铝基复合材料在保证导电导热性能的前提下提升了铝基复合材料的显微硬度。

1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料热变形模型对比分析

采用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为25~400℃、应变速率为0.01~10s^(-1)和真应变为0.85的条件下,对1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料进行了热压缩试验,研究其热变形行为,建立了应变补偿的Arrhenius (SCA)、修正的Johnson-Cook (MJC)和修正的Zerilli-Armstrong (MZA) 3种本构模型,并对流变应力的预测值与实验值进行对比。结果表明,层状复合材料流变应力呈加工硬化型,并随温度升高或应变速率降低而降低;在100℃/0.5s^(-1)、200℃/0.1s^(-1)和300℃/0.1s^(-1)条件下,层状复合材料组元层间变形较为协调;3种本构模型中,MZA模型的相关系数最高,R为0.99085、平均绝对相对误差最低,e_(AARE)为0.046966,更适合描述1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料的热变形行为。

电解铣削加工TiB_(2)/7050铝基复合材料阴极设计与试验验证

为提高TiB_(2)/7050铝基复合材料电解铣削加工的加工效果,设计了三种具有不同底部出液孔形式的直径工具阴极,通过多组参数下的对比试验,优选出加工效果最好的工具阴极进行后续的试验探究。结果表明:在只改变加工电压的情况下,工具阴极C有最高的材料去除率,工具阴极A可加工得最优的沟槽底面平整度。在加工电压30 V、进给速度70 mm/min下采用工具阴极C进行电解铣削加工,材料去除率和沟槽底面平整度分别达到581.9 mm3/min和0.16 mm,表面粗糙度值达Ra0.648μm。

石墨烯化学镀铜对放电等离子烧结石墨烯增强铝基复合材料组织和性能的影响

通过化学镀方法得到镀铜石墨烯粉末,再通过静电自组装方法将镀铜石墨烯粉末与铝粉混合,然后经放电等离子烧结工艺制备镀铜石墨烯增强铝基复合材料,研究了不同质量分数(0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%)镀铜石墨烯增强铝基复合材料的微观结构和性能,并与质量分数0.1%未镀铜石墨烯增强铝基复合材料进行对比。结果表明:镀铜石墨烯在复合材料中分散均匀,复合材料的相对密度均在99%以上;铝和铜发生反应生成了中间相Al_(2)Cu,但未有Al_(4)C_(3)界面相生成;镀铜石墨烯增强铝基复合材料的硬度和耐磨性能均优于未镀铜石墨烯增强铝基复合材料;随着镀铜石墨烯含量的增加,复合材料的硬度先升高后降低,磨损质量损失和摩擦因数均呈先减小后增加的趋势。当镀铜石墨烯的质量分数为0.2%时,复合材料具有优异的综合性能,其硬度为74.7 HV,磨损质量损失和摩擦因数均最小,分别为0.0023 g和0.259,磨损机制为氧化磨损。

粉末冶金法制备TiB_(2)与Al基复合材料与性能研究

使用粉末冶金法制备了TiB_(2)/Al基复合材料,使用X射线衍射仪(XRD)对复合材料进行衍射图谱分析,确定复合材料的物相组织,复合材料晶界处为增强体TiB_(2)的主要分布位置,随着TiB_(2)质量分数的增加,团聚现象增多。探讨了TiB_(2)/Al基体的显微结构和机械性质的变化,并分析了TiB_(2)粒子的加入对TiB_(2)/Al基体的影响。实验发现,TiB_(2)/Al与TiB_(2)/Al的界面结合较好。在1 h的保温、610℃烧结、20%质量分数硼化钛的硬度最高,维氏硬度值为68.2 HV。此时的复合材料在TiB_(2)质量分数15%时的综合力学性能最好,抗拉强度为153.43 MPa,比纯铝提高了19.68%。

原位TiB_2颗粒增强铝基复合材料及其力学性能

对原位反应合成TiB2/A356铝基复合材料微观组织和力学拉伸性能进行了研究。结果表明,原位反应生成的颗粒增强相在复合材料基体中分布均匀,基体与颗粒间的界面洁净。复合材料强度随着颗粒含量的增加显著提高,与基体合金相比,TiB2质量分数为8%的TiB2/A356复合材料强度和弹性模量的提高幅度约为28%,TiB2质量分数为16%的TiB2/A356复合材料强度和弹性模量的提高幅度约为35%。复合材料的断裂主要是由于基体与颗粒界面脱粘,在拉伸应力作用下由此萌生微裂纹并扩展,导致界面处的基体撕裂,从而降低复合材料塑性。

原位内生颗粒增强TiB_2/7055铝基复合材料的组织

对原位内生Ti B2/7055铝基复合材料的微观组织和热处理特性进行了研究。结果表明,原位内生的Ti B2颗粒在基体中弥散分布,与基体界面结合良好。Ti B2/7055复合材料具有显著的时效强化行为,增强相Ti B2颗粒促进复合材料的时效析出行为,缩短硬度达到峰值的时间,热处理后硬度和抗拉强度等性能明显提高。确定了12 mass%Ti B2/7055复合材料最佳热处理制度为460℃固溶60 min,120℃时效20 h。

纳米片状Al_(2)O_(3)增强铝基复合材料的研究

本次实验经过化学反应、干燥、煅烧等工序合成了纳米片状Al_(2)O_(3)。通过烧结法制备了Al_(2)O_(3)/Al质量比分别为1%,2%和3%的纳米片状Al_(2)O_(3)增强铝基复合材料。通过X射线衍射仪和扫描电镜观察物相和形貌,然后通洛氏硬度和孔隙率测试其硬度和孔隙率,研究表明:烧结产品的主要物相是Al;片状Al_(2)O_(3)大部分存在于晶界,少部分存在于铝基体中;烧结能提高产品的硬度,并随片状Al_(2)O_(3)添加量的增加,硬度逐步提高;烧结产品的孔隙率随片状Al_(2)O_(3)的增加而增大。

TiB_(2)原位增强铝基复合材料的制备及其性能研究

采用原位自生技术制备了TiB_(2)含量分别为3wt%、5wt%和8wt%的TiB_(2)/Al铝基复合材料。通过金相组织分析、电镜扫描分析,从微观机理上对原位自生TiB_(2)相的生成状态进行了分析。结果表明,生成的TiB_(2)相尺寸约1~2μm,均匀地分布在基体中,同时,组织中存在少量Al3Ti相剩余;随着TiB_(2)含量的增加,铝基复合材料的抗拉强度逐渐增加,当TiB_(2)含量为5wt%时,复合材料的抗拉强度最高达到110 MPa;伸长率逐渐下降,由纯铝时的22.5%下降至8wt%TiB_(2)含量时的15.5%。

7075-TiB_2原位铝基复合材料的腐蚀性能

采用动电位极化试验研究了7075-TiB2铝基复合材料的腐蚀行为。结果表明,该复合材料的腐蚀率与TiB2颗粒的比例成对应关系,而这主要与由原位TiB2颗粒引起的位错密度的增加有关。选择性点蚀具有晶粒间非对称的特点,主要归因于由TiB2颗粒与铝基体的热膨胀系数错配所致的局部位错密度不同。晶间腐蚀易于发生于大角度晶界,而特殊晶界和小角度晶界则表现出耐腐蚀性。晶内TiB2颗粒及其与铝基体的界面均无腐蚀发生。沿晶TiB2颗粒与晶界交汇的界面受晶间腐蚀的影响。

TiB_(2)含量对原位自生TiB_(2)/2219铝基复合材料组织与性能的影响

利用混合盐高温反应法制备了原位自生TiB_(2)/2219铝基复合材料铸锭.通过光学显微镜、扫描电镜、X射线等显微组织表征方法以及弹性模量、室温拉伸和室温摆锤冲击实验等测试手段,研究了TiB_(2)含量对原位自生TiB_(2)/2219铝基复合材料组织和性能的影响.研究表明,当TiB_(2)质量分数由0提高到5%时,TiB_(2)颗粒尺寸和TiB_(2)/2219铝基复合材料铸锭的平均晶粒尺寸逐渐减小,固溶时效态的TiB_(2)/2219铝基复合材料板材的弹性模量和强度显著上升,但延伸率和冲击韧性下降.当质量分数为5%时,TiB_(2)/2219铝基复合材料板材的弹性模量、抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到88.7 GPa、(474.2±2)MPa、(400.6±1)MPa和(4.7±0.1)%.

原位TiB_2颗粒增强铝基复合材料形核机制及转变动力学

阐述了原位合成制备TiB_2颗粒增强铝基复合材料自生相的形核机制以及转变动力学,从热力学和动力学的一般角度来分析TiB_2的形成机制,依据扩散原理讨论TiB_2转变动力学、反应润湿及反应活化能。

原位反应制备细颗粒TiB_2增强铝基复合材料研究

热力学分析和试验结果证实,KBF4、Ti反应剂以一定的Ti/B原子比混合加入熔体,最终反应生成单一TiB2相,能抑制TiAl3等其它相的产生。在此基础上,分析比较了反应剂混合粉以预制块形式加入、气流载入熔体两工艺条件下的TiB2颗粒分布、大小。结果表明:通过氩气流载入反应混合粉,并快速搅拌熔体,可克服TiB2颗粒在晶界的团聚,细化颗粒,获得颗粒小于0.5um、且较均匀分布的TiB2/Al复合材料。

TiB_2/ZL101A铝基复合材料微弧氧化与耐腐蚀性研究

本文将微弧氧化工艺应用于颗粒增强铝基复合材料TiB2/ZL101A,分析了不同氧化时间膜层的厚度、组织结构和成分等,并研究了其在模拟海洋环境下的耐腐蚀性能。结果表明,适当处理条件下,微弧氧化后的TiB2/ZL101A具备较强的耐海洋环境腐蚀能力。

(TiB_(2)+TiB)/Ti-22Al-25Nb复合材料的热变形行为与组织演变

以放电等离子烧结(TiB_(2)+TiB)增强Ti_(2)AlNb基复合材料为初始材料,在Gleeble-3800热模拟实验机上开展了(TiB_(2)+TiB)/Ti-22Al-25Nb复合材料的热压缩变形实验,研究了变形温度1060~1150℃、应变速率0.05~5 s^(-1)范围内复合材料的热变形行为。通过对流变应力-应变数据分析,构建了复合材料在B2单相区内的本构方程,分析了不同Zener-Hollomon(Z)参数下复合材料的组织演变规律。结果表明:(Ti B_(2)+TiB)/Ti-22Al-25Nb复合材料的峰值应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低,压缩曲线存在不连续屈服现象。Z值对复合材料的组织演变和变形机制均有重要影响。当ln Z值处于较高水平(35.88)时,复合材料出现局部塑性流动变形失稳区,动态再结晶程度较低,再结晶晶粒平均尺寸为3.82μm,增强颗粒粒径平均尺寸为6.93μm。当ln Z值处于较低水平(29.11~31.28)时,复合材料心部区域均发生完全动态再结晶。随着Z值降低,当ln Z为29.11时,动态再结晶晶粒长大,其平均尺寸增至9.16μm,并且由于B元素扩散的加快,促进了烧结残余TiB_(2)颗粒向Ti B晶须(Ti Bw)转变,原位反应更加充分,增强颗粒平均尺寸减小至2.77μm,TiBw的团簇现象明显减弱。

原位自生TiB_2/6061铝基复合材料高温力学性能

通过搅拌铸造法制备实验用TiB_2/6061铝基复合材料,对室温和高温下6061铝合金和Ti B2/6061铝基复合材料的硬度、拉伸性能和断裂特性进行了研究。用扫描电子显微镜分析了两者的微观断裂形貌。试验表明:添加TiB_2颗粒使6061铝合金的力学性能大幅改进。在20~500℃拉伸试验,同一温度下TiB_2/6061的极限抗拉强度比6061铝合金的大;随着温度的升高,两者的抗拉强度均下降;在高温下,TiB_2/6061拉伸断裂颈缩较小;在20~200℃,6061铝合金的拉伸沿45°斜面断裂。随着温度升高,有明显颈缩,延展性增强。

原位TiB_(2)颗粒增强7075铝基复合材料的热压缩变形行为和显微组织演变

采用等温热压缩实验研究不同变形条件下(变形温度300~450℃、应变速率0.001~1 s^(−1))原位TiB_(2)颗粒增强7075铝基复合材料的热成形行为、损伤机制和显微组织演变。结果表明,复合材料在低温和高应变速率下的主要损伤机制是颗粒断裂和界面脱粘,而在高温和低应变速率下主要是基体的韧窝断裂。此外,复合材料在高温、低应变速率变形条件下(变形温度450℃、应变速率0.001 s^(−1))出现完全动态再结晶,从而提高复合材料的热成形性。热压缩后原位TiB_(2)/7075Al复合材料的晶粒尺寸明显小于7075Al和非原位7075Al复合材料。根据流动应力实验曲线,建立原位TiB_(2)/7075Al复合材料包含流变应力、真应变、应变速率和温度的本构方程。基于动态材料模型(DMM)和改进的动态材料模型(MDMM)建立加工图,分析复合材料的流变失稳区和优化复合材料的热变形工艺参数。复合材料的最佳变形条件为变形温度425~450℃、应变速率0.001~0.01 s^(−1),在该变形条件下复合材料的晶粒得到细化,且不发生颗粒断裂和界面脱粘。