原位鋁基復(fù)合材料制備及攪拌摩擦加工.pdf

1、原位鋁基復(fù)合材料，由于增強(qiáng)顆粒是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)從鋁基體中原位形核、長(zhǎng)大的熱力學(xué)穩(wěn)定相，因而具有高比強(qiáng)度、比模量等優(yōu)點(diǎn)，有望在航空、航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而，該類復(fù)合材料仍存在一些問(wèn)題（如顆粒團(tuán)簇，鑄造缺陷，基體晶粒粗大等），力學(xué)性能提升并不明顯。常見(jiàn)的二次加工手段，如軋制、擠壓、鍛造等雖能有效消除缺陷及細(xì)化晶粒，但對(duì)于顆粒團(tuán)簇的改善效果有限。本論文針對(duì)上述問(wèn)題，采用直接熔體反應(yīng)法/混合鹽法分別制備了Al3Ti/Al(A356

2、)、ZrB2/6061Al和ZrB2/2024Al復(fù)合材料，主要研究了不同尺度增強(qiáng)顆粒的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)及形成機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，揭示了顆粒團(tuán)簇對(duì)原位鋁基復(fù)合材料組織和性能的影響。為了破碎團(tuán)簇，彌散顆粒，使用攪拌摩擦加工(FSP)工藝對(duì)上述復(fù)合材料進(jìn)行二次加工，定量描述了復(fù)合材料中顆粒、第二相和晶粒度的演變過(guò)程，分析了FSP道次、增強(qiáng)顆粒含量和第二相形態(tài)變化對(duì)FSP復(fù)合材料組織和性能的影響。
　　內(nèi)生Al3Ti顆粒的形貌及分布與反應(yīng)體系、熔

3、體溫度和基體合金成分有關(guān)。750℃下熔體攪拌15min，Ti-Al體系未完全反應(yīng)，除了Al3Ti外，基體中還發(fā)現(xiàn)了Al3Ti反應(yīng)層包裹Ti的殼-核結(jié)構(gòu)，表明Al3Ti形成為固-液界面反應(yīng)機(jī)制;同樣條件下，K2TiF6-Al體系反應(yīng)徹底，Al3Ti主要通過(guò)溶解-析出機(jī)制從氟鹽/鋁雙層熔體界面形核、生長(zhǎng)。對(duì)于K2TiF6-Al體系，當(dāng)熔體溫度在700～800℃時(shí)，Al3Ti為塊狀（10～20μm），分布于晶內(nèi);而在900℃時(shí)，Al3Ti為桿

4、狀，長(zhǎng)徑比高達(dá)10～20，呈穿晶分布;水淬實(shí)驗(yàn)揭示了Al3Ti形貌演變過(guò)程:類球形(900℃)→塊狀(850℃)→短棒(800℃)→長(zhǎng)桿(750℃)，證實(shí)了Al3Ti形態(tài)改變主要發(fā)生在高溫熔體的凝固階段。K2TiF6-Al體系所制備的6vol.％Al3Ti/A356復(fù)合材料中，少量Al3Ti位于晶內(nèi)，而大部分以團(tuán)簇形式與共晶Si交錯(cuò)，分布于晶界/枝晶臂，這是由于Al-Si合金熔體粘度降低，使得Al3Ti顆粒被固/液界面排斥，最終偏聚為團(tuán)

5、簇。
　　隨FSP道次增加，Al3Ti/A356復(fù)合材料的組織均勻性不斷提高，同時(shí)Si及Al3Ti顆粒尺寸減小。Si形態(tài)變化取決于熱機(jī)效應(yīng)，其中累積塑性應(yīng)變連續(xù)破碎共晶Si，反復(fù)熱循環(huán)則促使晶內(nèi)析出納米/亞微米Si; Al3Ti主要受應(yīng)力場(chǎng)作用，顆粒尖角發(fā)生鈍化，F(xiàn)SP-4p后粒徑可細(xì)化到6.9μm。隨著Al3Ti、Si體積分?jǐn)?shù)增加，顆粒/基體界面可動(dòng)位錯(cuò)源增多，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶加速;同時(shí)這些顆粒還能抑制再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，所以基體晶粒度最

6、終可細(xì)化到0.8μm。FSP-Al3Ti/A356復(fù)合材料的強(qiáng)度和延伸率均隨著道次增加而提高，主要強(qiáng)化機(jī)制包括:載荷傳遞、細(xì)晶強(qiáng)化、Orowan強(qiáng)化和CTE強(qiáng)化。FSP-1p時(shí)Orowan強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，而隨著道次增加，細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制成為主要的貢獻(xiàn)源，Orowan強(qiáng)化效應(yīng)減少，主要源于晶內(nèi)納米Si粒子的減少。
　　采用K2ZrF6-KBF4-Al體系成功制備出1～3vol.％ZrB2/6061 Al納米復(fù)合材料，其中內(nèi)生Zr

7、B2顆粒平均粒徑為130±50nm，呈多邊形或近六邊形，以絮狀團(tuán)簇形式較均勻分布于基體;團(tuán)簇出現(xiàn)與反應(yīng)路徑有關(guān)——600rpm的強(qiáng)力攪動(dòng)使Al與乳化鹽液滴直接反應(yīng)，ZrB2從液滴內(nèi)形核析出、長(zhǎng)大，最終形成納米顆粒團(tuán)簇。團(tuán)簇形態(tài)取決于ZrB2體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)ZrB2含量≤2vol.％時(shí)，出現(xiàn)Ⅰ（＜10μm）和Ⅱ（20～60μm）類團(tuán)簇，分別位于晶內(nèi)和晶界/枝晶臂;而ZrB2增至3vol.％時(shí)，還出現(xiàn)Ⅲ(～120μm)類團(tuán)簇，僅位于晶內(nèi)。其中Ⅰ

8、類通過(guò)彌散強(qiáng)化和塑性滑移帶方式增強(qiáng)增塑;Ⅱ類主要通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化和等軸韌窩方式增強(qiáng)增塑;Ⅲ類則因應(yīng)力集中易生裂紋，對(duì)塑性不利，但可通過(guò)載荷傳遞增強(qiáng)。
　　FSP-1p后攪拌區(qū)出現(xiàn)了特殊的層狀結(jié)構(gòu)，這與攪拌針幾何形狀所主導(dǎo)的材料流變密切相關(guān)，其中螺紋槽內(nèi)可有效破碎團(tuán)簇、彌散納米顆粒，形成均勻區(qū)。隨著FSP道次增加，2vol.％ZrB2/6061Al納米復(fù)合材料的組織均勻性不斷提高，具體表現(xiàn)為均勻區(qū)擴(kuò)大和晶粒細(xì)化;相應(yīng)的硬度、強(qiáng)度和延伸率

9、增加。由于彌散納米顆粒能有效釘軋位錯(cuò)和亞晶界，隨ZrB2體積分?jǐn)?shù)增加，F(xiàn)SP-4p復(fù)合材料的晶粒尺寸減小;同時(shí)，B纖維織構(gòu)強(qiáng)度減弱，表明復(fù)合材料在FSP過(guò)程中主要承受攪拌針螺紋的剪切力作用。
　　采用K2ZrF6-KBF4-Al體系成功制備出2vol.％ZrB2/2024 Al納米復(fù)合材料，內(nèi)生ZrB2納米顆粒以團(tuán)簇形式較均勻地分布于基體，由于2024Al中含有較高的溶質(zhì)元素，使得團(tuán)簇結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，內(nèi)部出現(xiàn)Cu、Mg包覆ZrB2粒子

10、的聚集體，周圍為較彌散的ZrB2納米顆粒。通過(guò)控制冷卻速率改善復(fù)合材料中的ZrB2團(tuán)簇形態(tài)及分布，對(duì)限制晶粒生長(zhǎng)非常有效。當(dāng)冷卻速率為68.4℃/s時(shí)，團(tuán)簇以～10μm個(gè)體與θ+S交織于相界面，構(gòu)成細(xì)小胞狀枝晶;隨著冷卻速率降低，團(tuán)簇被推移至晶界/枝晶臂處，發(fā)生局部偏聚，對(duì)晶粒限制生長(zhǎng)作用減弱，相應(yīng)的枝晶尺寸和枝晶臂長(zhǎng)大。T6熱處理使得θ+S相重溶并析出為半共格的S'相，團(tuán)簇形態(tài)保持不變。復(fù)合材料和基體合金的屈服強(qiáng)度對(duì)冷速不敏感，源于晶

11、界/枝晶臂處的第二相(θ+S)及團(tuán)簇對(duì)晶內(nèi)位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng)并無(wú)直接貢獻(xiàn);隨冷速提高，基體合金靜力韌度增加，而復(fù)合材料只有達(dá)到68.4℃/s才有所改善。T6熱處理后，析出相在不同程度上改善了復(fù)合材料和基體合金的強(qiáng)度和塑性，而團(tuán)簇對(duì)基體具有明顯的增強(qiáng)增塑效果，主要體現(xiàn)為靜力韌度提高。
　　對(duì)于2vol.％ZrB2/2024Al復(fù)合材料，水冷輔助連續(xù)FSP-2p可以快速獲得均勻的攪拌區(qū)，其流變行為與ZrB2/6061Al不同，由基體合金的

12、本征物性（如熱塑性、高溫強(qiáng)度、摩擦系數(shù)等）所主導(dǎo)。FSP復(fù)合材料中ZrB2納米彌散顆粒和Al2Cu析出相數(shù)量取決于板材初始狀態(tài)。鑄態(tài)中θ相部分破碎成1～2μm顆粒，部分重溶-析出為Al2Cu納米相;而T6態(tài)則完全以Al2Cu和θ"過(guò)渡相析出，由于后者釘軋位錯(cuò)和（亞）晶界質(zhì)點(diǎn)增多，所以其基體晶粒度最小(1.6μm)、LAGBs比例最多(36.8％)。初始狀態(tài)為T6態(tài)的FSP復(fù)合材料強(qiáng)度明顯高于初始狀態(tài)為鑄態(tài)時(shí)的強(qiáng)度，而延伸率差別不明顯;與