关键词：
TiB2颗粒
复合材料
Al2Cu析出相
力学性能
耐蚀性
摘要：
Al-Si-Cu铝合金因其优异的力学性能、铸造性能和切削加工性能,被广泛应用于军事装备、航天航空、汽车部件和精密设备等各个行业。然而,随着现代社会的进步,特别是交通运输和航天航空等尖端科技领域的迅速发展,仅仅局限于Al-Si-Cu铝合金的自身的研究已经不能够满足应用环境对其性能和轻量化的双重要求,极大地限制了Al-Si-Cu铝合金的应用价值。因此,为了提高Al-Si-Cu系铝合金的强韧性,本研究以Al-9Si-3Cu-0.8Zn为基体合金,通过混合盐反应法成功制备了不同质量分数的TiB颗粒增强Al-9Si-3Cu-0.8Zn复合材料,并利用高压压铸成形技术成功制备了具有复杂结构的薄壁壳体零件。通过XRD、OM、SEM、TEM、室温拉伸和电化学测试等测试手段,研究分析了x TiB/Al-9Si-3Cu-0.8Zn复合材料的微观组织、力学性能以及耐蚀性。通过对x TiB/Al-9Si-3Cu-0.8Zn复合材料微观组织的观察,发现TiB颗粒呈不规则的多面体结构和近球,平均尺寸约为209.7nm,多以聚集体的形式分布在α-Al的晶界处,仅有少量的TiB颗粒位于晶界内。随着TiB颗粒含量的增加,复合材料的晶粒尺寸逐渐减小,共晶Si相的尺寸明显减小,由长针状转变为短棒状。T6热处理后复合材料的共晶Si相出现明显的球化现象,形貌逐渐向近球形转变,并且随着TiB颗粒含量的增加,共晶Si的平均尺寸和长径比分布从19.91μm、10.76下降到9.34μm、1.21,球化效果愈发明显。此外,AlCu相发生了溶解再析出现象,由粗大的骨骼状转变为纳米级的板条状和片状,均匀弥散的分布于Al基体之中。通过TEM观察与分析,发现TiB颗粒与α-Al基体的界面结合紧密,干净无杂质。在TiB颗粒与α-Al基体之间存在[-1 1 0 1]//[0-1 1],(1 0-1 1)//(1 1 1)的位向关系,通过错配度计算发现在两者之间存在着半共格关系,TiB颗粒可以作为α-Al异质形核的核心,促进α-Al的晶粒细化。此外,发现在板条析出相与α-Al基体之间存在[-2-1 2]//[-1 0 0],(0 2 1)//(0 2 0)的位向关系,同时也存在着半共格关系,但是在片状析出相与α-Al基体之间没有发现任何共格关系的存在,因此T6热处理后纳米级,AlCu析出相以θ’相和θ相的状态存在于基体之中,并且以θ’相为主要强化相。通过室温拉伸测试,发现随着TiB颗粒含量的增加,复合材料的抗拉强度表现出先增加后下降的趋势,而伸长率却一直下降。当TiB颗粒含量达到4wt%,并经过T6热处理后,复合材料的抗拉强度达到398MPa,与基体合金相比提高了30.9%,与热处理前相比提高了63.8%,但其伸长率仅有1.4%。复合材料的强化机制主要有载荷传递强化、CTE强化、细晶强化和Orowan强化。就4wt%TiB/Al-9Si-3Cu-0.8Zn复合材料而言,四种强化机制对其屈服强度的贡献分别为2.7MPa、72.1MPa、3.8MPa和35.6MPa,因此可知对复合材料强度提升的贡献大小为:CTE强化>Orowan强化>细晶强化>载荷传递强化,其中细晶强化和载荷传递强化的贡献甚微。此外,热处理后微米级共晶Si相的球化以及纳米级AlCu相的析出均对复合材料力学性能的提高有着显著的影响。通过电化学测试,发现复合材料的耐蚀性随着TiB颗粒含量的增加而略微下降,这是因为TiB颗粒的存在打破了氧化膜对材料的保护作用,同时TiB颗粒可以作为腐蚀反应的阴极与Al基体产生电偶效应,进一步促进材料的腐蚀。此外,微孔等铸造缺陷可以作为腐蚀反应发生的起点,而TiB颗粒会在一定程度上增加复合材料中孔洞的数量和大小,使得腐蚀反应的部位增多,导致材料的耐蚀性降低。通过对4wt%TiB/Al-9Si-3Cu-0.8Zn复合材料进行高压压铸,发现随着充型距离的增加,复合材料铸件的晶粒尺寸愈发细小,但是铸件中气孔的尺寸却从B部位的3.48μm增加到D部位的6.54μm,导致晶粒尺寸最小的D部位的力学性能显著降低。因此,铸件C部位的力学性能最好,热处理后抗拉强度可达到421MPa,伸长率达到3.0%,与重力铸造热处理后相比分别提升了5.8%和114.3%。
