原位合成TiB2／ZL109复合材料的力学性能

原位合成原位合成TiB2TiB2 ZL109ZL109复合材料的力学性能复合材料的力学性能 原位合成TiB2 ZL109复合材料的力学性能苏雅璇 马乃恒 易宏展 王浩伟 上海交通大学材料学院 上海200030 摘要通过原位合成法 成功制备了亚微米级TiB颗粒增强ZL109复合材料 测量了不同颗粒 含量复合材料的弹性模量和25 400 的抗拉强度 UTS 结果表明 复合材料的弹性模量随颗粒含量提高而提高 颗粒含量1 5 质量分数 下同 时 复合材料的弹性模量比基体合金提高了32 抗拉强度也明显高于基体合金 10 TiB109复合材料在260 时 的强度比基体合金提高了105MPa 关键词铝基复合材料 原位合成 TiB2颗粒 弹性模量 抗拉强度T B33lA1001 3814 xx 18 0011 02M echanicalProperties ofIn situ TiB2 ZL109Composite SUYa xuan M ANai heng YI Hong zhan W ANGHao wei Mater Sci Eng Col1 ShanghaiJiaotongUniversity Sh anghai200030 China AbstractSub micron TiB2particles reinforcedZL109posite issuessfully fabricatedby meansof i n situ synthesistechnique The moduluand UTSofthe po site ismarkedly higher than thatofthe substratealloy T he moduluof15wt TiB2 ZL109is32 higher andthe UTSof lOwt TiB2 ZL109at260 C is105MPa highertha nsubstract alloy Key wordsAI based po site i n situ synthesis TiB2particle modulu UTS原位反应法克服了传统方 法因成本高而难以发展的缺点 其成本低 增强体分布均匀 基本 上无界面反应 可以使用传统的金属熔融铸造设备 工艺周期较短 唯一的缺点是增强相的成分和含量不易控制 但是通过对反应体系及其机制的研究 可以克服难以控制增强相和体积分数这一缺点 并保持制件的稳定性 因此是值得研究和发展的MMCs制备方法 本文通过原位反应法得到的几种不同颗粒含量的TiB2 ZL109复合材 料 对其力学性能进行了测试与分析 1试验材料及方法基体合金采用ZL109 A1 12 Si 1 2Cu 1 Ni 1Mg 使用K2TiF和I BF4作为反应盐 用原位合成法生成TiB颗粒 其制备过程是将基体合金在电阻炉中熔化并过热至特定温度 按配 比加入反应盐及反应助剂Na3AIF 在合成反应过程中 采用桨片倾角为30 35 的自制搅拌器进行搅拌 以促进合成反应充分完成 待反应结束后除去熔渣 然后降低熔体温度进行精炼 除气 复xx 03 17作者简介苏 1981一 女 福建厦门人 硕士 电话 021 6293xxE mailhwwang sjtu edu ca合材料浇铸温度为730 试样采用T6工艺525 x1 5h固溶 l7O x8h时效 弹性模量在Zwick Roell试验机上测试 拉伸速率在弹性阶段为0 5mm min 弹性阶段后为l mm min 高温抗拉强度在万能试验机上进行 试样在每个拉伸温度都先保温5min 拉伸速率0 5mm min 在日本理学Rigaku D max RC型衍射仪上分析其相结构 在扫描 电镜上观察其微观组织 2试验结果及分析2 1复合材料的组织图l为lOwt TiB2 ZL109复合 材料试样萃取后所获得的粉末的x射线衍射谱 证明原位合成的增强体颗粒为TiB t U TiB2l l I L一 304U U607U U20 图110 TiB2 ZL109复合材料萃取后粉末的XRD由图2可见 TiB颗 粒均匀分布在基体中 颗粒尺寸为0 2 4 8p m 平均尺寸0 5p m 比外加颗粒小了l 2个数量级 热加工工艺 xx年第35卷第l8期11罔2li tib2 zl109复台材料 做观结构2 2复合材料力学性能表l给出了不同颗粒含量的tib z l1o9的弹性模曩同时给 相同颗粒含量的tib zl 叭作对比可见 复合材料的有效弹性模量随着tm颗粒含量增加而增加 在tib 颗粒 含量低于8 时 皿共晶tib zl101复台材料有效弹性模量的增加与 近共品tib zl1o9复台材料有效弹性模量的增加相接近 高于8 tib zl101复台材料的有效弹性摸量增加缓慢 而tib zl109复合 材料仍呈较高增加趋势表1两种复台材料有效弹性摸量对比tib颗粒 分布对复合材料有效弹性模量的影响主要是因为在颗粒偏聚区域基 体的塑性变形造成的在颗粒富集区域 颗粒邻近区域的基体被颗粒 分割严重 较薄弱 容易产生应力集中 这导致基体在受力时很容 易产生塑性变形 当材料产生较大的塑性变形时 产生的变形要较弹性变形大得多 这样就使得复合材料的应力一应变曲线出现抖动 使得该区域的弹 性模量低于平均值 降低了复合材料的有效弹性模量此外 用ZL109 作基体的复合材料 原位颗粒分布更均匀 克服了ZL10l为基体的复 合材料当颗粒含量达到8 以后 弹性模量增加幅度随颗粒含量增加 而减缓的问题当颗粒含量为15 时 复合材料的弹性模量可达98GPa 比基体合金提高了32 表2给出了TiB ZL109高温拉伸实验结果 可以看出 随着温度的变化 基体合金和复合材料的抗拉强度都在 变化为了评估颗粒的增强效果 引入了强度增量 表2复台材料在不 同温度下的抗拉强度 MPa 温茬 l2 TiB zL10910 Ti iZL109ZL 09 J 25l363376331150l346I36I J3Il285 3l1l343l26260240l27I l 663 5I67I I89l I194O073 84l57尺 仉一O lI 1 式中 O i 分别是复台材料和基体合金在不同温度下的抗拉 强度 i表示每个测试温度 TiBIZL109复合材料的强度增量如图3所 示 可以看m 各个温度下TiB2 ZLl09复合材料的抗拉强度都高于 基体合金 即R 0复合材料常温强度提高的原因是凝固过r 1 由于 颗粒和基体热膨胀系数不同 颗粒周围产生大最位错在拉伸过程中 颗粒对位错运动的阻碍作用造成位错增值使材料强化同时颗粒具 有优良的高温性能 由于颗粒高温性能的贡献 随温度升高复台材 料的高温性能比基体提高更明显 在260 时强度增加最大温度进一 步升高时 基体的性能急剧下降 甚至软化 颗粒的作用不能很好 的发挥 同时位错交滑移变得容易 由颗粒造成的位错运动阻力降 低 颗粒增强效果减弱 故强度增量下降 o50too l502o1 2503003504004507 同3复台材料在不同温度的强度增嚣3 结论 I 原位TiB 陀L109复合材料的弹性模量随颗粒含量提高而提高 克服了zL101为基体的复合材料当颗粒含量达到8 以后 弹性模量 增加幅度随颗粒含量的增加而减缓的问题当颗粒含量为 5 时 复 台材料的弹性模量比基体合金提高了32 2 原位tib2 zl109复合材料县有优良的高温力学性能一原位tib颗 粒的增 下转第16页 热加工工艺 xx年第35卷第18期m 如加 如 如 山 强婚出 u 0 图8sn含量对合金压缩性能的影响率降低 较为显著 合金组织决定性能 合金性能的变化与组织的变化是一致的 由于Sn的加入 形成了具有立方结构的Mg2Sn相同 相对Mgl7All2而言 Mg2Sn相显微硬度高 溶点高 热稳定性好旧 均匀化退火后溶解进入Mg基体 形成仅一Mg单相固溶体 但常温下 仅一Mg处于单相过饱和状态 因此具有固溶强化和细晶强化双重强化作用 导致强度 塑性升高 Sn含量较大时 可能会导致Mg2Sn相在晶界处偏聚 割裂了Mg基体 强度和塑性会有所降低 从图8可知 Sn含量为1 O 左右时具有良好的综合压缩性能 因此 从设计高性能AZ70锻造镁合金考虑 Sn的最佳含量应该在0 5 v1 5 由于镁合金常温下塑性较差 属于典型的脆性材料 因此常温压缩 时呈现典型的宏观脆性断裂特征 压缩过程中试样首先出现微鼓形 最后呈45o纯剪切断裂 9 对断口的SEM微观形貌进行分析 所有合金属于解理断裂 含Sn合金的断121形貌有少量撕裂的痕迹 断裂韧性略有改观 主要还是由于Sn对镁基体的晶粒细化及Mg2Sn硬 质相的固溶强化作用所致 3结论 1 微量Sn能改变AZ70镁合金的铸态组织形貌 使粗大的网状Mg 7Al 相破碎为断网状 并且Sn在合金基体上均匀分布 有效地细化晶粒 2 Sn在AZ7O合金中主要以Mg2Sn存在 均匀化退火后能溶解进入Mg 基体 形成仅一Mg单相固溶体 且Sn的晶粒细化作用有利于锻造成 形 3 适量Sn能提高合金的室温压缩强度和极限压缩率 Sn含量为1 O 时合金具有良好的综合压缩性能 试样压缩过程中先出现微鼓形 最后呈45 纯剪切断裂 压缩断口形貌仍呈现典型的解理断裂特征 并有少量撕裂的痕迹 参考文献 l Pan Fusheng Ya ngMingbo Zha ngDingfei et o1 Researcha ndDevelopment ofWrought Magnesium Alloysin China J Mater ialsSci enceFor um xx 488 489 6 413 418 2 汤彬 李培杰 曾大本 钙 锶对AZ91D合金组织及性能 的影响 J 特种铸造及有色合金 xx 5 l一3 3 Friedrich Schumann Research ofa New Ageof Magnesium inthe AutomotiveIndustry J Journal ofMater ials Processing Technology xx ll7276 281 4 张龙 刘六法 卫中山 等 合金元素对镁合金耐热性 能的优化作用及机理 J 铸造技术 xx 26 8 697 700 5 孙扬善 翁坤忠 袁广银 sn对镁合金显微组织和力学 性能的影响 J 中国有色金属学报 1999 9 1 55 60 6 陈振华 镁合金 M 北京化学工业出版社 xx 29 31 7 张晓凉 唐新民 锻造镁材料的特性及在车轮上的应用 J 国外金属热处理 1998 4 38 40 8 王建华 易丹青 陈康华 等 锡对2618合金组织及性能 的影响 J 热加工工艺 xx 6 21 22 9 韦德骏 材料力学性能与应力测试 M 长沙湖南大学 出版社 1997 60 61 田 上接第l2页 强效果远优于其它颗粒 260 C时 TiB2含量为2 10 的TiB2 ZL109复合材料的抗拉强度 比基体ZL109提高最多 分别达74MPa和105MPa 参考文献 l 吴人沽 金属基复合材料的发展现状与应用前景 J 航空制造技术 xx 3 19 21 2 FengC F Fmyen L In si tusynthesis ofAIO a ndTi B2pardculate mixture rei nforced aluminu mmatri xposites J Scrip Mater 1997 36 4 467 473 3 Lu L Lai MO su Y et I nsitu TiB2reinforcedA1a lloyposites J Scr i