TiB2增强颗粒含量对6061铝基复合材料性能的影响

于长富，张祝珲，杨 路，马国强，徐 鑫

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

TiB2颗粒增强铝基复合材料是将TiB2增强颗粒加入或自生到铝基体中，得到兼有铝合金基体材料韧性、塑性的同时兼具增强颗粒较高的强度、模量的复合材料[1-2]。尽管增强效果不如纤维那么明显，但由于制备工艺简单，可沿用金属材料的加工成型方法，后续的加工费用低，在性能上又能弥补单一金属材料的不足，使材料的刚度、耐磨性、耐热性、抗蠕变性均有较大提高[3-4]。且制得的材料性能各向同性，微观结构均匀，具有良好的发展前景[5]。本文通过加入不同含量的TiB2增强颗粒，研究其对6061铝基复合材料强度和模量的影响。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

采用6061铝合金，其化学成分(质量分数，%)为，Si 0.77，Fe 0.15，Cu 0.16，Mn 0.11，Mg 0.75，Cr 0.11，Ti 0.10，B 0，TiB20。增强颗粒：将颗粒状的K2TiF6和KBF4按照一定的配比进行配料，加入到熔融的铝熔体中。额外消耗铝补充：补充铝采用的纯度为99.99%的工业纯铝，并在试验开始时同6061铝合金基材一同加热。除渣剂：采用Al2O3粉末，粉末的用量为可覆盖铝液表面5mm厚。氩气：采用工业用高纯氩气，并通过通气装置直接通入铝液中。

1.2 试验方法

本试验采用氟盐法制备富含TiB2粒子的铝基复合材料。该方法制备原料低廉、工艺简洁，且产生杂质为浮于溶体上方的液态水渣,但该反应为放热反应，存在一定的烧损。氟盐反应法主要是将氟盐(K2TiF6和KBF4)加入到熔融的铝熔体中，静置充足时间后制备合金锭。反应式如下：6KBF4+3K2TiF6+10Al→3TiB2+9KAlF4+K3AlF6ΔH=1407kJ/mol。

本试验以6061为基体合金，进行5组不同成分的铝基复合材料的制备，以提高基体合金的强度，见表1。TiB2颗粒含量分别为0、2.5%、5%、7.5%和10%。基体合金采用重熔6061合金铸锭的方式，成分以重熔合金成分为基准。熔炼设备采用的是坩埚电阻炉和石墨坩埚，模具采用的是Ф80mm×300mm的石墨模具，熔炼温度为850℃，浇注温度为710℃～730℃，采用加Al2O3粉末同时通氩气的方法进行除渣。浇注时采用陶瓷过滤，铸造工艺如图1所示。

2 试验结果及分析

2.1 表面质量

试验制备铸锭表面宏观形貌如图2所示，TiB2颗粒含量分别为0、2.5%、5%、7.5%和10%。铸锭尺寸为Ф80mm×300mm。

2.2 组织和晶粒度

图3是不同TiB2含量下铸锭的组织形貌。由图3可看出，TiB2颗粒呈黑色棒状和粒状，随着TiB2颗粒含量的增多，晶界上聚集的TiB2颗粒越多，由于颗粒越多金属流动性越差，会导致TiB2颗粒逐渐聚集变大，颗粒的间距会逐渐变小。

图4是图3中不同TiB2含量下铸锭的组织晶粒度。由图4可见随着TiB2颗粒越多，晶粒的大小会逐渐变小，这是由于晶界上TiB2颗粒会阻碍晶粒长大，并导致晶界加宽。另外浇注温度、模具温度以及浇注速度都会影响晶粒尺寸的大小。

2.3 力学性能及弹性模量

由图5可见，在TiB2颗粒含量为0～10%时，随着TiB2颗粒含量的提高，材料的抗拉强度逐渐提高，这是由于增强体颗粒起到传递、承受载荷和阻碍基体位错的作用。颗粒含量越多，所能承受的载荷越大[6]。

屈服强度会先降低后提高，这是由于随着TiB2含量的提高，材料的屈服极限与颗粒的间距成反比，当颗粒含量较少时其间距较大，此时屈服强度会降低，随着颗粒含量的提高，颗粒间距逐渐减小，导致屈服强度逐渐提高[7]。当TiB2颗粒含量达到10%时，材料的抗拉性能以及延伸率较基材都有较大的提高。由图6可见，随着TiB2颗粒的提高，弹性模量先降低后提高。

这是由于当TiB2颗粒含量较低时，TiB2颗粒与铝合金基体之间润湿性很差，在复合材料的制备过程中，容易出现增强体颗粒团聚现象，随着增强体颗粒含量的增加，这种团聚现象也就越有可能发生，难以获得TiB2颗粒分布均匀的复合材料。TiB2团聚颗粒与铝合金液体发生界面反应，容易生成大量的脆性界面产物，使增强颗粒脱粘，这种弱界面的存在反而使复合材料的弹性模量降低，此时称之为弱化作用，为影响材料弹性模量的主要因素[8]。

随着TiB2颗粒含量的继续增多，在增强体颗粒周围萌生了大量的位错。大量的位错之间产生了摩擦和缠绕，使晶格产生畸变，增强颗粒在材料中所承担的载荷也增加，更利于载荷的传递，起到了晶格强化的作用。因此强化效果逐渐提高，增强粒子弹性模量的作用更加明显。当TiB2颗粒含量为7.5%时，弹性模量较基材提高了6.55%，当TiB2颗粒含量为10%时，弹性模量较基材提高了21.54%。因此，为了提高材料的弹性模量，TiB2颗粒的添加量应≥7.5%。

3 结论

(1)基于6061铝基复合材料，在TiB2颗粒含量为0～10%时，随着TiB2颗粒含量的增加，材料的弹性模量会呈现先降低再提高的趋势。当TiB2颗粒含量≥7.5%时，材料的弹性模量会优于基材，并且含量越多，弹性模量越大。

(2)在6061铝基复合材料中，当TiB2颗粒含量为7.5%～10%时，材料的抗拉强度、伸长率以及硬度均优于基材，屈服强度略低于基材。根据屈服强度变化趋势，当TiB2颗粒含量继续增加，材料的屈服强度会逐渐提高。