多粒径TiB2/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为

采用粉末冶金工艺制备了不同配比的多粒径(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂/Cu复合材料。通过JF04C触点材料测试系统对多粒径TiB₂/Cu复合材料进行耐电弧侵蚀性能试验,研究(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比分别为1∶1∶1、1∶1∶3、1∶3∶1、3∶1∶1时,TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能及电弧侵蚀形貌变化规律,探究多粒径配比对TiB₂/Cu复合材料表层耐电弧侵蚀行为的影响。结果表明:当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比为1∶1∶1时,TiB₂/Cu复合材料相对密度和导电率最高,分别为99.1%和87.1%IACS。当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比为1∶1∶1和1∶3∶1时,TiB₂/Cu复合材料的组织均匀性较好,电弧侵蚀后材料损失相同,材料转移量最少。其中,质量比为1∶3∶1时,TiB₂/Cu复合材料平均燃弧能量最低,且燃弧时间和燃弧能量最稳定。研究表明,这与复合材料的综合物理性能密切相关。在颗粒增强Cu基复合材料设计过程中,引入合适配比的多粒径TiB₂颗粒有助于提高TiB₂/Cu复合材料的密度、导电率等综合物理性能。电弧侵蚀过程中,不同粒径的TiB₂颗粒相互协同作用,有助于提高TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能和服役稳定性。      

TiB2/Cu复合材料的电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结法（SPS）制备TiB₂质量分数为1wt%~5wt%的TiB₂/Cu复合材料,测试其导电率和硬度。当TiB₂质量分数由0增至5wt%时,复合材料的导电率由96.9%（International Annealed Copper Standard,IACS）降至65.1%（IACS）,布氏硬度由42.8增至65.2。对所制备的不同TiB₂质量分数的TiB₂/Cu复合材料在直流24 V、不同电流条件下进行电接触实验,探究TiB₂添加量和电流对TiB₂/Cu复合材料耐电弧侵蚀性能的影响。结果表明,TiB₂/Cu复合材料的平均燃弧时间、平均燃弧能量和材料损耗量随着电流的增加而增加,TiB₂/Cu复合材料的阴极损耗量高于阳极,整体上TiB₂/Cu复合材料由阴极向阳极转移。在24 V和25 A条件下,不同TiB₂质量分数的TiB₂/Cu复合材料的燃弧时间和燃弧能量随操作次数增加不断波动,整体上呈逐渐增加的趋势,3wt% TiB₂/Cu复合材料的稳定性最高,平均燃弧时间和燃弧能量最低。随着TiB₂质量分数的增加,TiB₂/Cu复合材料损耗量降低,表面蚀坑变浅。     

碳纳米管和TiB2混杂增强铜复合材料的电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结（SPS）工艺制备出不同混杂比例碳纳米管（CNTs）和TiB₂混杂增强铜（CNTs-TiB₂/Cu）复合材料,对复合材料致密度、硬度、导电率、导热率和显微组织进行了对比和分析。同时对复合材料进行了电接触试验,研究了不同电流条件下CNTs与TiB₂混杂比例对CNTs-TiB₂/Cu复合材料电弧侵蚀行为的影响。结果表明:随着CNTs与TiB₂混杂比例的增加,CNTs-TiB₂/Cu复合材料的密度、硬度、导电率和导热率逐渐降低,铜基体晶界分离现象越来越明显;在特定电流条件下,合适的CNTs-TiB₂混杂比例可提高CNTs-TiB₂/Cu复合材料的抗电弧侵蚀性能;当电流为5 A和10 A时,CNTs与TiB₂混杂比例为4∶1的平均燃弧能量、平均燃弧时间和材料转移量达到最低,而电流为15 A时,CNTs与TiB₂混杂比例为1∶4的平均燃弧能量、平均燃弧时间和材料转移量达到最低。电弧侵蚀后阴极出现熔池、气孔及熔融金属铺展等特征,且随着CNTs与TiB₂混杂比的增加,CNTs-TiB₂/Cu复合材料熔池面积减小,气孔数量变少,熔融金属铺展的特征减弱。      

多粒径TiB2颗粒增强铜基复合材料的制备与载流摩擦磨损性能

采用粉末冶金工艺分别制备了单一粒径TiB₂颗粒和多粒径TiB₂颗粒增强铜基复合材料,对比研究了非载流和载流条件下多粒径（2 μm+50 μm）TiB₂/Cu复合材料的摩擦磨损行为。微观组织观察表明:不同粒径的TiB₂颗粒在Cu基体中分布均匀。与单一粒径TiB₂/Cu复合材料相比,多粒径TiB₂/Cu复合材料具有更高的相对密度、硬度和导电率。摩擦磨损实验结果表明:多粒径TiB₂/Cu复合材料抗摩擦磨损性能明显高于单一粒径TiB₂/Cu复合材料,当2 μm与50 μmTiB₂颗粒配比为1:2时,多粒径TiB₂/Cu复合材料的抗摩擦磨损性能最佳。相对于2 μm单一粒径TiB₂/Cu复合材料,电流为0 A时,（2 μm+50 μm）TiB₂/Cu复合材料的摩擦系数和磨损率分别降低了17.3%和62.5%;电流为25 A时,（2 μm+50 μm）TiB₂/Cu复合材料的摩擦系数和磨损率分别降低了6%和45.8%,同时载流效率和载流稳定性得到明显提高,磨损表面更加平整。磨损机制分析表明:多粒径TiB₂颗粒合理配比有利于提高复合材料载流质量,同时摩擦过程中大粒径的TiB₂颗粒起到支撑作用,小粒径的TiB₂颗粒弥散强化Cu基体,二者的协同作用使TiB₂/Cu复合材料具有更好的抗载流摩擦磨损性能。      

Mg对原位自生TiB2/Al-4.5Cu复合材料微观组织及力学性能的影响

采用Al-K₂TiF₆-KBF₄混合盐原位自生反应法,制备了不同Mg质量分数的3wt% TiB₂/Al-4.5Cu复合材料。采用SEM、TEM、HM硬度测试和室温拉伸等方法研究了Mg含量和多级热处理对3wt% TiB₂/Al-4.5Cu复合材料微观组织和力学性能的影响。微观组织观察发现:Mg质量分数为3wt%时,经过多级热处理后,TiB₂颗粒的团聚现象明显改善,反应生成的TiB₂颗粒平均尺寸约为130 nm,基体内伴随有大量弥散分布的纳米级颗粒,且α-Al的晶粒尺寸也明显减小。力学测试结果表明:多级热处理后,3wt% TiB₂/Al-4.5Cu复合材料的硬度和抗拉强度随Mg含量的增加而提高,但过量的Mg (≥4wt%)会造成TiB₂颗粒细化效果下降。分析表明:Mg的加入能够降低TiB₂/α-Al界面能,减少脆性相Al₃Ti、Al₂B的生成,并通过反应生成的MgAl₂O₄使界面结构变成TiB₂/MgAl₂O₄/α-Al,从而有效抑制了TiB₂的团聚,改善了TiB₂颗粒与Al液界面的润湿性,提高了形核率,进一步细化了α-Al晶粒尺寸。      

不同粒径TiB2/Cu复合材料热传导模拟与实验

采用ANSYS对不同粒径TiB₂/Cu复合材料热传导过程进行模拟。采用粉末冶金法制备了不同粒径TiB₂增强的Cu复合材料,采用LINSEIS LFA1600激光导热仪测试了室温至280℃下的TiB₂/Cu复合材料热传导性能变化,并与模拟结果进行对比。结果表明:热导率模拟结果与实验结果吻合较好。在50~200℃之间,复合材料热导率变化不大,在6%~9%范围内波动。200℃之后,模拟值与实验值均呈现出随温度升高而增大的趋势,且吻合度较高。这是由于温度低于200℃时,在模拟过程中未考虑材料界面处两相不同热膨胀系数的影响,导致模拟值与实验值有较大的差异。当温度高于200℃时,模拟值和实验值吻合程度趋于稳定。在200℃时,由于两相热膨胀系数的影响,复合材料内部界面处等效应力大于Cu基体屈服强度,使其发生塑性变形,从而引起热导率发生较大幅度变化。此外,热导率随着TiB₂粒径的增大呈现出先提高后降低的趋势,在10 μm时达到最大。这是由于当颗粒直径小于临界平均直径时,颗粒直径的增大会减少界面数量,从而降低界面热阻。当颗粒直径大于临界平均直径时,平均自由程l的急剧增加导致热导率降低。      

原位合成TiB2/Fe复合材料的高温氧化行为

采用微波烧结技术原位生成TiB₂/Fe复合材料,研究其在500℃、600℃与700℃空气中的恒温氧化行为,并对氧化膜的表面、截面形貌及相组成进行了分析。结果表明:TiB₂/Fe复合材料由TiB₂、Fe₂B和α-Fe三种物相组成。随着氧化温度的升高,TiB₂/Fe复合材料的氧化增重明显增大,均呈现抛物线型规律,在500℃时,其氧化产物主要为Fe₂O₃和Fe₃O₄,而700℃时,其氧化物为Fe₂O₃、TiO₂、Fe₉TiO₁₅及少量Fe₃BO₆组成。相同温度下,随着TiB₂含量增加,TiB₂/Fe复合材料氧化物粒径、氧化增重和氧化层厚度均减小,氧化激活能增大,其抗氧化性能也越好。      

铸态Al-4. 5Cu/TiB2 复合材料组织和性能的研究

提出一种新型的原位反应合成工艺——熔体反应法, 以TiO₂、H₃BO₃、Na₃AlF6 和Al-Cu 合金为原材料, 采用熔体反应法制备了低成本的内生颗粒增强Al-4. 5Cu/TiB₂ 复合材料。TiB₂ 颗粒细小, 平均尺寸为0. 93 Lm, 均匀分布于基体之中, 与基体结合良好。当TiB₂ 的含量为10 vo l% 时, 复合材料的抗拉强度为416. 7M Pa, 屈服强度为316.9M Pa, 延伸率为3. 3%。      

挤压铸造TiB2P/Al复合材料室温力学性能

采用挤压铸造法制备不同体积分数的TiB_2P/Al复合材料, 利用扫描电镜、 硬度计、 拉伸试验机等对复合材料的室温力学性能进行了研究, 系统地分析了体积分数和热处理工艺对材料力学性能的影响。结果表明: 挤压铸造TiB_2P/Al复合材料的布氏硬度、 抗弯强度和弹性模量随增强相TiB₂体积分数的增加而提高。45% TiB_2P/Al复合材料T6处理后硬度和抗弯强度分别比退火态时提高了23%和40%, 但热处理状态对弹性模量的影响不大。      

原位合成TiB2颗粒增强铝基复合材料研究进展

原位合成技术制备的铝基复合材料,权衡了强度和塑性间的矛盾,有望实现铝基复合材料的结构功能一体化。原位合成TiB₂颗粒增强铝基复合材料比刚度,比模量高,具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能和抗疲劳性能,是近年来金属基复合材料的研究热点之一,在汽车制造、高铁动车、航空航天和国防军事等领域具有广阔的应用前景。归纳了三种原位合成TiB₂颗粒增强铝基复合材料反应体系(Al-K₂TiF₆-KBF₄体系、Al-TiO₂-B₂O₃体系和Al-Ti-B体系)的特点和优势,概述了原位合成TiB₂颗粒对铝基体晶粒尺寸、界面结合和润湿性产生影响的研究现状,对TiB₂颗粒强化铝复合材料力学性能的作用机制展开了讨论,梳理总结现阶段在此领域研究过程中仍未解决的问题,展望TiB₂颗粒增强铝基复合材料的潜在发展空间,以期为研究和开发原位合成颗粒增强铝基复合材料提供参考。     

Synthesis of in situ Al–TiB2 composites using stir cast route

When elemental Ti and B powders were added to molten Al at above 1000°C, fine in situ TiB₂ particulates were formed through Al–Ti–B exothermic reaction. By optimising the nucleation of TiB₂, the tensile and yield strengths of a synthesised Al–15V_f%TiB_s composite were twice that of matrix material. Modification of Al-matrix with 4.5 wt%Cu tripled the tensile and yield strengths at peak-aged condition. Owing to the co-presence of brittle Al₃Ti flakes with TiB₂ particles in the composites synthesised by the Al–Ti–B system, ductility was reduced to 68% and 84% in composites with Al- and Al–Cu matrices, respectively. When the (Ti + B) mixture was incorporated with 3 wt%C, TiB₂ and TiC reinforcing phases were simultaneously produced in the composite with Al–Cu matrix. Such an approach reduced Al₃Ti compound in the composite considerably. Although the presence of Cu in the composite was found to promote the formation of Al₃Ti, its effect on the fluidity caused the melt recovery to increase from 33% to 52%.     

激光选区熔化成形原位自生TiB2/Al-Si复合材料的微观组织和力学性能

利用激光选区熔化（SLM）技术制备了原位自生TiB₂纳米陶瓷颗粒增强Al-Si基复合材料,并对成形后的TiB₂/Al-Si复合材料进行不同的热处理。通过XRD物相分析、SEM微观组织观察、电子背散射衍射（EBSD）、EDS元素扫描分析和力学拉伸试验等对TiB₂/Al-Si复合材料的微观组织进行观察和力学性能测试。研究表明,在原位自生TiB₂纳米陶瓷颗粒和SLM快速凝固特性的共同作用下,SLM成形的原位自生TiB₂/Al-Si复合材料具有超细晶结构,平均晶粒尺寸为1.1 μm;TiB₂/Al-Si复合材料的力学性能优异,屈服强度为262 MPa,抗拉强度为435 MPa,延伸率为11.88%。对比经不同热处理的TiB₂/Al-Si复合材料,直接时效处理（150℃/12 h）的TiB₂/Al-Si复合材料性能最优,抗拉强度达到488 MPa,提高了53 MPa,延伸率降低至7.2%。     

Application of thermodynamic calculation in the in-situ process of Al/TiB2

A thermodynamic model describing the formation of in-situ TiB₂ reinforced Al metal matrix composite (MMC) has been established. Based on thermodynamic principles, the Gibbs free energies of formation of TiB₂, AlB₂, and Al₃Ti were evaluated. Experimental investigation was carried out to verify the validity of the thermodynamic model. KBF₄ and K₂TiF₆ were used to synthesize in-situ particulates in molten Al at different temperatures. X-ray diffraction was employed to characterize the formation of different phases in the composite.