原位合成5TiB2/Al-4.5Cu复合材料组织及性能的研究

颗粒增强铝基复合材料(PRAMCs)具有低密度、高强度、良好的耐磨性、抗疲劳性和低热膨胀系数等优异的性能，在航空航天、汽车、船舶等行业中得到了广泛应用[1~4]。在各种增强材料中，TiB2因具有高熔点、高硬度、高模量、良好的导热性、高耐磨性和低密度，且与铝基体之间没有界面反应，被认为是最优的铝基增强材料之一[5,6]。Al-Cu合金因具有强度高、加工性能好等特点被广泛应用于航空航天工业和汽车等领域[7]，但Al-Cu合金的屈服强度较低很大程度上影响了其应用[8]。将TiB2颗粒引入Al-Cu合金中进一步的提高其力学性能，并发现纳米增强颗粒有4种机制来强化基体合金[9~12]：细晶强化、承载转移强化、Orowan强化和CTE错配强化[13~15]。但是，以往的研究中没有详细的介绍4种强化机制中增强颗粒与位错运动的关系。

中北大学研究毛红奎副教授联合北方车辆集团在2023年第43卷第4期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了“原位合成5TiB2/Al-4.5Cu复合材料组织及性能的研究”一文。文章采用机械搅拌辅助混合盐法制备了TiB2质量分数为5%的Al-4.5Cu复合材料，借助光学显微镜、XRD、SEM、DES和TEM检测仪器对复合材料进行微观组织观察和分析，并做了拉伸试验测试了其力学性能。结果发现，TiB2颗粒通过产生位错塞积、位错环以及增加位错密度等方式阻碍位错的运动来强化基体合金。添加5%的TiB2的Al-4.5Cu合金屈服强度和抗拉强度比Al-4.5Cu合金分别提高了68.94%和32.65%，伸长率降低了45.56%，但其综合拉伸性能仍提高了11.33%。

【引用格式】

李聪,徐宏,毛红奎,等.原位合成5TiB2/Al-4.5Cu复合材料的组织及性能[J].特种铸造及有色合金,2023,43(4):469-474.

LIC,XU H,MAO H K,et al.Microstructure and properties of in-situ synthesized 5TiB2/Al-4.5Cu composites[J].Special Casting & Non-ferrous Alloys,2023,43(4):469-474.

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【研究方法】

以工业纯铝，工业纯铜，K2TiF6盐和KBF4盐为原材料，分别制备了TiB2含量为5% 的Al-4.5Cu（简写为5TiB2/Al-Cu复合材料）和Al-4.5Cu两组试样。

制备5TiB2/Al-Cu复合材料过程为：①将原材料和金属模具在200℃的烘箱中保温1h除去结晶水；②在电阻炉中将烘干的纯铝和纯铜加热至870℃时，加入烘干的混合盐(K2TiF6盐和KBF4盐以Ti/B摩尔比为1：2混合)并机械搅拌1h，反应结束后通过倾斜坩埚除去熔体顶部的副产物KAlF4和K3AlF6等炉渣；③熔体温度降至730~750℃时，加入C2Cl6进行除气、撇渣；④熔体降温至720℃时浇入预热200℃的金属型中，浇注铸件见图1a，采用电感耦合等离子发射光谱仪(Thermo Fisher ICAP-6300)进行成分分析，结果见表1；⑤铸件在538℃下固溶10h，在70℃水中冷却（T6处理）；后在175℃下时效6h，空气冷却至室温。

(a)铸件浇注示意图(b) 拉伸试样

图1 铸件浇注试样和拉伸试样

【研究结果】

错配强化效果最为显著，因TiB2颗粒周围存在残余塑性应变引发大量位错，增加位错密度，造成位错塞积。其次是Orowan强化，其借助α-Al晶粒内细小的TiB2颗粒形成位错环，增加位错运动的阻力。接着是细晶强化，是借助TiB2颗粒作为异质形核点和影响凝固界面前沿来增多晶界，阻碍位错运动；最后是承载转移强化，因TiB2颗粒含量不高，其强化效果不明显。

5TiB2/Al-4.5Cu的屈服强度和抗拉强度分别为219.76 MPa和354.65 MPa，比基体分别提高了68.94%和32.65%；伸长率为5.76%，比基体降低了45.56%，主要原因是晶界处形成的TiB2颗粒网阻碍了晶粒的变形。虽然伸长率有所降低，但其综合拉伸性能仍提高了11.33%。

图2 TiB2/Al-Cu的XRD分析结果

(a) Al-Cu(b) TiB2/Al-Cu

图3 两级试样偏振光显微组织

(a)EDS面扫分析(b)SEM形貌(c)EDS点分析

图4 TiB2/Al-Cu的SEM和EDS分析结果

(a) 晶粒内部的SEM形貌(b)晶界处的SEM形貌(c)TEM形貌

图5 TiB2颗粒形貌

(a)拉伸应力应变曲线(b) Al-Cu合金组织(c)TiB2/Al-Cu组织 (d)TiB2/Al-Cu放大

图6 拉伸应力应变曲线及拉伸断口形貌

(a)TiB2/Al-Cu复合材料TEM形貌(b) TiB2/Al-Cu复合材料位错的分布(c) TiB2/Al-Cu复合材料晶界附近的位错(d) Al-Cu合金围绕TiB2颗粒的位错环(e) Al-Cu合金TiB2颗粒周围的位错(f) Al-Cu合金TiB2颗粒网附近的位错

图7 两组合金的TEM形貌

编辑：江姗

审核：刘晨辉