原位纳米粒子增强Al基复合...料的微观组织及高温力学性能_张君儒.pdf

投稿网址：http：/辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING PETROCHEMICAL UNIVERSITY第43卷 第2期2023 年4月Vol.43 No.2Apr.2023原位纳米粒子增强 Al基复合材料的微观组织及高温力学性能张君儒1，卢宝印2，李金权2，昝宇宁3，王文广2,3（1.辽宁石油化工大学 环境与安全工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001；3.中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016）摘要：以纳米 TiO2为添加相，按一定比例添加 B2 O3和 H3BO3，采用高能球磨和粉末冶金法相结合的方法制备了体积分数为 4%的纳米氧化物粒子增强 Al基复合材料，最后在 723 K 的条件下以 16 1的挤压比制备了复合材料棒材。结果表明，经过 4 h的球磨后，可以实现纳米氧化物在 Al基体中的弥散分布；经过 893 K 的真空热压后，添加相与 Al基体发生原位化学反应并生成了 Al2O3等。当 Ti与 B物质的量比为 1.0 1.5时，复合材料的力学性能最优；同时，当 B 元素的先驱体化学成分不同时，复合材料的力学性能差异显著；TiO2+H3BO3/Al在室温和 623 K 下的拉伸强度分别为 507.7 MPa和 151.3 MPa，展现出最高的室温力学性能；TiO2+B2O3/Al在室温和 623 K下的拉伸强度分别为 353.7 MPa和 167.1 MPa，展现出最佳的高温力学性能。关键词：纳米；TiO2/Al基复合材料；球磨；粉末冶金；高温力学性能中图分类号：TQ050.4+3；TG148 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.16726952.2023.02.005Microstructure and High Temperature Mechanical Properties of InSuit NanoParticles Reinforced Al Matrix CompositesZhang Junru1，Lu Baoyin2，Li Jinquan2，Zan Yuning3，Wang Wenguang2,3（1.School of Environmental&Safety Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China；2.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China；3.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang Liaoning 110016，China）Abstract:In this study,nanoTiO2 was used as the additive phase,and B2O3 and H3BO3 were doped in a certain proportion,and then 4%nanooxide particles reinforced Al matrix composites were prepared by highenergy ball milling and powder metallurgy.Finally,Al matrix composite rods were prepared with an extrusion ratio of 16 1 at 723 K.The results show that the dispersion distribution of nanooxides in Al matrix can be realized after 4 h ball milling.After vacuum hot pressing at 893 K,the addition phase reacts with the Al matrix insitu and forms Al2O3 etc.When the molar ratio of Ti to B is 1.0 1.5,the mechanical properties of the composites are the best.At the same time,when the chemical composition of the precursor of B element is different,the mechanical properties of the composites are significantly different;the tensile strength of TiO2+H3BO3/Al at room temperature and 623 K is 507.7 MPa and 151.3 MPa,respectively,showing the highest room temperature mechanical properties;the tensile strength of TiO2+B2O3/Al at room temperature and 623 K is 353.7 MPa and 167.1 MPa,respectively,manifesting the excellent hightemperature mechanical properties.Keywords:Nano；TiO2/Al matrix composite；Ball milling；Powder metallurgy；High temperature mechanical properties铝合金具有密度低、比强度和比刚度高等特点，在航空航天、军工和交通运输等行业被广泛应用15。传统铝合金在室温和低温条件下具有性能优势，但是在高温（0.5Tm，Tm为材料的熔点）条件文章编号：16726952（2023）02002609收稿日期：20220418 修回日期：20220512基金项目：国家自然科学基金面上项目（51771194）。作 者 简 介：张 君 儒（1994），女，硕 士 研 究 生，从 事 铝 基 复 合 材 料 的 制 备 及 其 宽 温 域 服 役 条 件 下 的 安 全 评 价 研 究；Email：。通信联系人：王文广（1973），男，博士，教授，从事金属、陶瓷和碳材料增强金属基复合材料的制备、微观结构分析及金属材料和金属基复合材料的疲劳力学性能研究；Email：。第 2 期张君儒等.原位纳米粒子增强 Al基复合材料的微观组织及高温力学性能下其力学性能却急剧下降，这主要归因于目前常规铝合金强化手段的局限性611。为提高铝合金的力学性能，常使用固溶强化78、析出相强化910和细晶强化等强化手段4,1112，其中析出相强化和细晶强化的效果较为明显。当服役或环境温度较高时，铝合金会发生析出相粗大化现象，随着温度的继续上升，铝合金甚至会发生析出相回溶和晶粒长大等现象，导致铝合金的力学性能快速下降6。例如，T6 态2014Al合金的强度在温度超过 423 K 后急剧下降，温度为 573 K 时抗拉强度只有约 60 MPa。此外，研究人员还尝试了在铝合金中添加稀土元素来提高材料高温性能的方法1315，如 AlCeCuMnSi等铝合金，但是目前仍缺乏高温持久性相关的报道。因此，开发新型耐热铝合金成为需要迫切解决的难题。20世纪 80年代，研究者们开始尝试在铝基体中添加固溶度和扩散系数较低的元素，抑制高温下析出相粗化现象的发生，从而提高铝基材料的高温力学性能1617。例如，AlFeVSi系列耐热铝合金1822，其理想强化相 Al12(Fe,V)3Si为亚稳态的纳米粒子，必须采用高速冷却的方法（冷却速度大于 104 K/s），目前仅有气雾化制粉、熔体旋淬（薄带）等方法可以满足，若制备块体材料还需经过粉末冶金等工序进一步处理才能获得23。另外，Al12(Fe,V)3Si在 674 K时就开始发生相变24，因此该体系块体材料的制备温度又被局限在 673 K 左右，且粉末冶金制备的材料孔隙率较大，还需通过进一步的大塑性变形来改善微观组织。然而，AlFeVSi系列耐热铝合金的热变形抗力大，因此该体系铝合金受制于制备难、变形难等问题，尚未得到广泛应用，处于实验室研究阶段。随着能源动力、交通运输、航空航天和军工等领域的迅猛发展，对可在 576673 K 的温度下长期服役的耐高温铝合金的需求越来越迫切，因此需要用耐高温铝合金部分取代钛合金和钢材，进而降低关键部件的质量和提升整体装备的性能。人们开始把目光投向了纳米陶瓷粒子、晶须和纤维等增强体，期望发挥陶瓷相的高温热稳定性和力学优势，制备出高性能的轻质耐高温新型材料。鉴于氧化物（如 Al2O3）2526、含硼化合物（TiB2、Al18B4O33）2629等陶瓷材料优异的热稳定性和高温力学性能，基于纳米粒子对位错以及晶界的钉扎机制，本研究选用纳米氧化物作为添加相，并添加一定比例的含 B 化合物作为 B 源，采用粉末冶金法制备了原位纳米粒子增强 Al基复合材料；利用氧化物与 Al之间的界面反应，获得原位生成的 Al2O3等纳米粒子，被还原的 Ti 等元素扩散到 Al 基体中进而形成热稳定性优异的 Al3Ti 析出相；为揭示原位纳米粒子（如 Al2O3P）和析出相（Al3Ti）对耐热 Al基复合材料高温力学性能的影响规律，调整添加相的种类和含量，对高温力学性能和微观组织开展了检测和分析研究，以期为新型耐热 Al基复合材料的微观组织优化设计提供科学依据。1 实验部分 1.1 实验材料商业 Al粉，粒径为 4 m，鞍钢实业微细铝粉有限公司；金红石型 TiO2，粒径为 25 nm，上海麦克林生化科技有限公司；H3BO3、B2O3、硬脂酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。其中，商业 Al粉为原材料；金红石型 TiO2、H3BO3、B2O3为添加相；硬脂酸为以避免高能球磨过程中 Al粉发生冷焊现象为目的而使用的球磨介质。1.2 复合材料的制备为了实现纳米粒子在 Al基体中的均匀分布，采用高能球磨法。首先，分别称取一定量的 Al 粉、TiO2、H3BO3、B2O3和硬脂酸（质量分数为 1.0%）等，并将粉末放入不锈钢球磨罐中；然后，按 10 1 的球料质量比加入钢球；最后，将球磨罐密封后放到PMDW12L 行星式球磨机上，转速为 200 r/min，球磨时间为 4 h。采用真空热压法制备纳米氧化物粒子增强 Al基复合材料。首先，将高能球磨后的 Al复合粉末放入钢模具中（75 mm220 mm），用石墨垫密封后进行冷压；将冷压后模具放入真空热压炉中抽真空（5101 Pa），待温度升到 723 K 时保温 1 h，去除硬脂酸；进一步升温到 893 K 后，在 100 MPa的压力下热压，保温 1 h后炉冷。采用热挤压的方法制备复合材料棒。首先，将复合材料坯锭车削掉外皮，获得表面光洁的 Al基复合材料，其尺寸为72 mm75 mm；然后，将复合材料放入电阻炉中加热到 723 K 并保温 2 h，以 16 1的挤压比制备18 mm 的 Al基复合材料棒。1.3 性能表征使用电火花线切割机从复合材料棒上切取拉伸试样，试样的厚度为 1.2 mm，拉伸试样尺寸如图 1所示。试样的拉伸方向平行于复合材料棒的挤压方向。采用 4002 000 目的砂纸进行打磨，去除表面氧化膜，然后在 Instron5848 拉伸机（载荷精度：0.5%）上进行室温以及 623 K（高温）拉伸力学性能测试，其应变速率为 1103 s1。高温拉伸试样在 623 K 的温度下保温 10 min后开始检测。为了研27辽宁石油化工大学学报第 43