原位复合材料Al3Ti/ZL101的正交实验研究及金相分析

作者：信息来源:模具 2008-6-24

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摘要：通过正交实验，采用极差和方差分析方法确定了生成Al3Ti/ZL101原位复合材料的最佳成分。测试了复合材料的力学性能，并对该材料进行了显微金相分析和透射电子显微分析。研究结果表明，与基体材料ZL101相比，Al3Ti/ZL101 原位复合材料在其最佳成分配比下，强度有较大...

摘要：　通过正交实验，采用极差和方差分析方法确定了生成Al₃Ti/ZL101原位复合材料的最佳成分；测试了复合材料的力学性能，并对该材料进行了显微金相分析和透射电子显微分析。研究结果表明，与基体材料ZL101相比，Al₃Ti/ZL101 原位复合材料在其最佳成分配比下，强度有较大幅度提高，伸

率也略有提高；复合材料中原位生成增强体Al₃Ti的尺寸仅为0.5μm左右，均匀分布于基体晶粒内部，同基体结合良好；由于细小增强相的作用，热处理后复合材料中的共晶硅以粒状形态均匀分布于基体中。
　　关键词：　原位复合材料；正交实验；力学性能；增强相
　　中图分类号：TB33；TG292　　　文献标识码：A　　　文章编号：1001-3814(2 000)03-0015-03

The Study of Crossing Experiment and Microstructure Analysis of In-situ Composite Al₃Ti/ZL101

ZHAO Yu-hou　YAN Wen
（Department of Material Xi'an Institute of Technology）
ZHOU Jing-en
（Xi'an Jia oTong University）

　　Abstract：　In this paper,the best composition of Al₃Ti/ZL101 in situ composite was confir med by crossing experimental analysis.The mechanical properties of the composite was tested and then,the microstructrue had been carried out by means of analysi s of metal phase microscopy and diffraction electron microscopy.The experimental results show that the tensile strength of this composite is higher than that of ZL101 matrix and the ductility also slightly higher at the experimental comp osition; The dimension of the reinforcement phase in this composite is about 0. 5μm which distribued in the matrix crystal uniformaly and had a good bond with matrix; Because of the effect of the reinforcement phase the eutectic Si distrib uted in the matrix at a form of uniform partical after heat treatmeat.
　　Key words：　in situ composite; crossing experiment; mech anical properties; reinforcement phase

1　引言

　　现代科学技术的迅速发展对材料性能的要求日益提高，单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料已难以满足些性能要求。复合材料特别金属基复合材料(MMCs)，综合了金属与陶瓷、金属与金属间化合物的优良性能，是航天、航空以及兵器和车辆工业技术领域中理想的结构材料^［1，2］。MMCs的性能取决于增强相的尺寸、体积以及增强体与基体界面的微观结构。高含量的细小的热稳定的增强体能够产生高的力学性能^［3］。由于原位生成增强体的尺寸通常低于1 μm，则在金属凝固过程中，增强体在基体晶内凝固，其与基体结合十分良好，因而，内生增强体在较大幅度地提高材料的强度和弹性模量的同时，也可使MMCs的伸长率略有提高。这是原位复合材料与外加增强体的复合材料的最大区别^{［4 ，5］}。本文实验研究了Al₃Ti/ZL101原位复合材料的最佳成分、组织与性能。

2　实验用原材料及工艺方法

　　实验用材料有工业纯铝、纯镁、结晶硅、冰晶石粉、精炼剂六氯乙烷、钛白粉。
　　实验工艺方法：将称量好的原材料加入石墨坩埚炉内升温熔化，在冰晶石覆盖下升温至1000 ～1100℃；将钛白粉与冰晶石混合料加入到铝液上，全部加完后保持5～10 min；用石墨棒将混合料压入液面下，搅拌直到目测反应完全，不放白烟为止；降温，在740℃脱气精炼；浇注φ8 mm的拉伸试棒。
　　热处理工艺：530℃保温5 h，60～80℃水淬，165℃下时效12 h。

3　实验结果

　　表1是L₉(3⁴)正交实验表及实验结果。表中Ti、Mg和Si三个因素各自三个水平的含量如表所示。

表1　L₉(3⁴)正交实验表及实验结果

<DIV align=center>序号因素1234σ_b
(MPa)δ
(%)硬度
(HB)TiMgSi　11(2%)1(0.2%)1(5%)12745.9682.721(2%)2(0.35%)2(7%)23362.7010431(2%)3(0.5%)3(9%)33411.55107.342(3.5%)1(0.2%)2(7%)33344.199652(3.5%)2(0.35%)3(9%)13351.73119.362(3.5%)3(0.5%)1(5%)23574.99114.373(5%)1(0.2%)3(9%)22714.6370.283(5%)2(0.35%)1(5%)32935.6675.493(5%)3(0.5%)2(7%)13183.10102.4Ⅰ(σ_b)951879924927　　　Ⅱ(σ_b)1026964988964Ⅲ(σ_b)8821016947968Ⅰ(δ)10.2114.7816.6110.8Ⅱ(δ)10.9010.099.9912.3Ⅲ(δ)13.399.647.9111.4Ⅰ(HB)294248.9272.4304Ⅱ(HB)329.6298.7302.4299Ⅲ(HB)248324296.8279</DIV>

图1　ZL101热处理态　图2　Al₃Ti/ZL101热处理态　图3　Al₃Ti/ZL101透射电镜照片

　　通过对正交实验结果的极差和方差分析，结合强度和伸长率两大指标，确定出材料的成分配比为：Ti3.5%,Mg0.3%,Si7.0%。该材料经热处理后，其抗拉强度达到348 MPa，伸长率为4.7%。
　　图1和图2分别是基体材料ZL101和原位复合材料Al₃Ti/ZL101热处理后的金相照片。由图1可看出，ZL101中除一些粒状共晶Si外还出现了一些针状或棒状的共晶Si。共晶Si沿α-Al的晶界分布，α-Al的晶粒比较粗大。由于共晶Si尺寸大，对基体的连续性破坏作用大，其力学性能特别是伸长率很低。由图2可看出，原位复合材料中共晶Si全部以粒状形态分布且粒化均匀。细小的共晶Si颗粒沿α-Al的晶界分布，α-Al的晶粒十分细小。由于粒化程度高，共晶Si对基体的连续性破坏作用很小，因而原位复合材料Al₃Ti/ZL101 的力学性能远高于ZL101材料。图3所示的是Al₃Ti/ZL101原位复合材料透射电镜照片。由该图可看出，Al₃Ti增强相以杆状形态存在，其最大尺寸约为0.5μm且均匀地分布于α-A l基体中。从增强相的形态可看出，其与基体的界面结合良好，无界面过渡层。由于增强相为原位生成相，其晶格数与基体接近，从而以共格的形式结晶。这不仅增加了增强体与基体的结合，也由于增强体的异质核心作用，使基体的晶粒尺寸减小。其结果使原位复合材料的抗拉强度远远高于基体材料，且伸长率也较基体材料有一定幅度地提高。这正是原位复合材料的最大优点。

4　结论

　　(1)正交实验极差和方差分析表明，Al₃Ti/ZL101原位复合材料最佳成分配比为：Ti3.5%,M g0.3%，Si7.0%。该材料经热处理后，抗拉强度达到348 MPa，伸长率为4.7%。
　　(2)与基体材料ZL101相比，经热处理后，Al₃Ti/ZL101原位复合材料的共晶Si尺寸都较小且全部变为细小的颗粒，其α-Al晶粒尺寸也明显变小。
　　(3)电镜分析表明，增强体Al₃Ti与基体结合良好，尺寸为0.5 μm且均匀地分布于基体晶粒内部。

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