Al-4.5Cu复合材料组织与力学性能的影响

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Al-4.5Cu复合材料组织与力学性能的影响

Vo1.27NO.6

Jun.2006

铸造技术 FoUNDRYTECHN0I0GY

原位反应温度对TiC/AI一4.5Cu复合材料

组织与力学性能的影响

梁艳峰,一,周敬恩,董晟全,杨通 (1.西安交通大学金属强度国家重点实验室,材料学院,陕西西安710049;2.西安工

业学院材料与化工学院,陕

西西安710032)

摘要:通过预制块在铸造Al一4.5Cu合金熔体中的自蔓延反应来制备TiCp/A1—4.5Cu复合材料,考察原位反应温度对该复合

材料组织与力学性能的影响.结果表明.原位反应温度为950℃时所制备的复合材

料力学性能较优;TiC颗粒呈小圆片状,与

基体结合良好,无其他有害相生成.原位反应温度为900℃和1000℃时所制备的复

合材料组织中都有产生针状AlTi的

倾向.

关键词:原位反应温度;TiC颗粒;针状AlTi

中圈分类号:TG146文献标识码:A文章编号:1000—8365(2006)06-0621—04

Effectofln.situReactionTemperatureontheStructureand

MechanicalPropertiesofTiC/AI一4.5CuComposite

LIANGYan-feng'~,ZHOUJing-en,DONGSheng-quan,YANGTong2

(1.StateKeyLaboratoryforMechanicalBehaviorofMaterials,SchoolofMaterialsEngineer

ing,Xi'anJiaotong

University,Xi'an710049,China;2.SchoolofMaterials&ChemicalEngineering,Xi'an

InstituteofTechnology.

Xi'an710032.China)

Abstract:In—situcompositesofTiC/AI一4.5Cuwerefabricatedviaself—

propagatingreactionofa

preparedblockinmoltencastAI-4.5CUalloy.Theeffectofin-situreactiontemperatureonthe

structureandmechanicaIpropertiesofTiC/AI.4.50Uwasstudied.Theresultsshowedthatwh

enthe

in—situreactiontemperatureiSheldat950℃,themechanicaIpropertiesofthecompositeare

improved;TiCparticleshavesmall.thinandroundplateshapedisperseduniformelyinthemat

rix

of(x—AI:therearenootherharmfuIphasesformed.Whenthein—

situreactiontemperatureiS900℃or

1000℃,rod.1ikeA13Tiareformedinthestructureofthecomposites.

Keywords:In—situreactiontemperature;TiCparticles;Rod-likeAI3Ti

TiC颗粒具有优异的综合性能,可以作为一种理

想的第二相增强体[】].目前原位生成TiC颗粒增强

金属基复合材料已成为复合材料领域中的一个新家

族,日益受到广泛重视.虽然已制备出的原位TiC颗

粒增强金属基复合材料在综合力学性能方面明显优于

其他自生颗粒的金属基复合材料,但到目前为止,由于

自生TiC颗粒金属基复合材料存在制备工艺复杂, TiC颗粒不易生成等一系列问题,而一直没有得到广

泛推广[2].原位TiC颗粒的生成与制备工艺条件有

收稿日期:2006—01—24:修订日期:2006—03—14

基金项目:陕西省教育厅专项科研计划资助项且(O5JK233)

作者简介:梁艳峰(1979一),女.河南南阳人.博士生.主要从事铝基复

合材料的研究. Email:********************[~

密切的关系.特别是原位反应温度,无论是从化学反

应能否进行的热力学条件还是动力学条件上,对增强

相的生成和有害相的消除都起着重要作用.近几十年

来,人们从理论和实验上对TiC的制备工艺进行了大

量的研究工作,但得到的结论却不尽一致[3].文献

E3]将XD法与铸造法相结合,制备了TiC/AI基复合

材料,认为当预制块的加入温度高于900℃,就可避免

脆性相AI.Ti和AIC.的生成.文献E5]的研究则表

明在950℃以下,只要Ti与C的原子比为1:1, AI.Ti总是存在.而文献[4]用钛盐和活性碳制备了

TiC/AI-4.5Cu复合材料,并认为原位反应的温度必须

高于1000℃,才能避免有害相的生成,仅有TiC一种

增强相.

本文选择以高强度铸造铝铜合金的基础组元Al—

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4.5Cu为基体合金,通过Al—Ti—C粉末预制块的自蔓

延反应来制备TiC/Al一4.5Cu原位复合材料,考察不

同的原位反应温度对TiC/AI-4.5Cu复合材料力学性

能与组织的影响,从而为原位TiC颗粒增强金属基复

合材料制备工艺的优化和应用奠定实验基础. 1实验方法

1.1预制块的制备

将纯Ti粉,石墨粉(严格控制Ti粉与C粉的摩

尔比为1:1)和一定量的纯铝粉混合均匀,加入定

量的粘结剂再搅拌均匀后,放入圆柱形模具中,进行

压块. 1.2Tic/Al一4.5Cu原位复合材料的制备

将纯铝及配好的铸造Al一4.5Cu合金分别加入

SG一10型坩埚电阻炉(5kW)中加热熔化并升温至

900~1000℃,然后分别在900℃,950℃,1000℃三

个温度加入已制备好的预制块,用自制的石墨钟罩将

其压入铝铜合金液中,反应温度保温10min,使预制

块反应完毕.接着用石墨棒充分搅拌熔体,使生成颗

粒充分熔入铝铜合金液中.当熔体温度降至750℃,

加入CCl精炼除气,保温10min后扒渣,当熔体温

度降到720℃时浇入预热后的金属模具中成型.再将

试棒在535℃固溶9h,175℃时效5h. 1.3力学性能测试和组织观察

在WE—10A型万能材料试验机上测试复合材料

试样的抗拉强度和伸长率;将试样磨平抛光,用0.5 HF腐蚀后,在Neophot-30型光学显微镜上观察金相

组织;制取薄片试样在JEM-200CX型透射电子显微

镜下观察增强相的形貌和衍射斑点. 2实验结果及其分析

2.1TiC形成的热力学理论计算

通常,化学反应在任一温度下的吉布斯自由能表

达式为[7]: AG一,ac/,㈣+-『.∑C+-『.Tsv~CpdT

式中△..——该化学反应在标准状态下的反应吉

布斯自由能的变化; C——等压比热容;

——

反应物质的化学计量数; T——绝对温度.

等压比热容与温度的关系式为: Cp一口+b?10一.T+c?107"-+d?10一T2

将预制块加入高温的Al一4.5Cu合金熔体中,根

据文献E8]中相关物质的热力学参数,可能的化学反应

及其热力学理论计算结果列于表1.

裹I吉布斯自由能计算

Tab.1Gibbsfreeenergycalculationofthepossiblechemicalreactions

从表1可以看出,在实验所选的900,950, 1000℃三个温度下,Ti和C反应生成TiC的自由能

最低,也就是说熔体中TiC的形成能力最强.因此 Al—Ti—C预制块粉末体系在铸造AI-4.5Cu高温熔体

中(900~1000℃)可以发生原位反应生成TiC. 2.2原住反应温度对TiC/一4.5Cu拉伸性能的影响

图1是分别在900,950,1000℃时加入预制块进

行原位反应,测得的复合材料拉伸性能.预制块中Ti

粉与C粉的摩尔比保持1:1不变,Ti粉与C粉的质

量之和与Al粉的质量比例分别为1:1,1:0.2和1: 3.对比图1(a)与(b)可以看出,无论预制块中Al粉

与(Ti+C)粉的质量比如何变化,随着原位反应温度

从900℃升至1000℃,三条折线均表现出先上升后

降低的趋势.原位反应温度为950℃时,三条折线分

别出现最大值;AI粉与(Ti+C)粉的质量比为0.2:1

时,抗拉强度达到368MPa,伸长率为7,分别比基

体提高了36.8和125.8%.图1(b)中,当温度由 900℃升至1000℃,AI:(Ti+C)t-比一3:1的试样

伸长率变化不大.而Al:(Ti+C)t-比一1:1的试样

和AI:(Ti+C)t-比=0.2:1.0的试样伸长率却有大

幅度地提高或降低,说明原位反应温度对采用这两种

配比的预制块制得材料的延伸率有较大的影响. 2.3原位反应温度对TiC/Al一4.5Cu组织的影响

由2.2的分析得出,在实验所选的3个温度中,原

位反应温度为950℃时,试样的拉伸性能较优.尤其

是将Al粉与(Ti+C)粉的质量比控制在0.2:1.0

时,试样的拉伸性能最优.下面对AI:(Ti+C)一 0.2:1.0的预制块分别在900,950,1000℃三个温度

下加入到铸造AI-4.5Cu合金熔体中,制得的复合材

料的微观组织进行分析.

图2为原位反应温度950℃时制得的复合材料的 TEM照片.由图2(a),(b)可以看出,原位反应生成

铸造技术)0612006粱艳嶂等:碌位反应温度对TIC/AI—1.5Cu蔓台材料组织与力

学性能的影响

卜AI.fTI+C】=t

十AI:门l+C)=3 +A1:fTltCI=02:10

+件台金

a)暗场b1叫场c)Tic颗垃形貌

衍射斑点fc)花样标定

图2原位复合材料的微观组织].T一950℃ Fig.2Micmscructure0fthelresilucomposite】,T=950℃

的增强相颗粒弥散分布在Al基体中,呈小圆片状,

颗粒平均尺寸0.15m高倍放大时(图2(c)),可看

到TiC颗粒表面光洁.与基体结台良好,界面无污染.

要判断原位反应生成的增强相粒子是什么相.还必须

通过对这些颗粒的衍射花样进行标定,与标准PDF卡

片进行对比,才能最终判定.小圆片状颗粒产生的衍

射花样见图2(d),花样标定见图2(e),从而可以确定

出原位反应生成的增强相颗粒为TiC.

图3和图4分别是原位反应温度为900℃和