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。     

原位合成TiB2/ ZL109 复合材料的高温蠕变行为

采用原位合成方法制备了TiB₂ 超细颗粒增强ZL109 复合材料, 对材料进行了高温拉伸蠕变实验。实验结果表明, 复合材料在高温恒应力条件下, 表现出高的名义应力指数和高的名义蠕变激活能, 优于纯Al 和ZL109 合金, 而且比常规外加颗粒复合材料具有更好的高温蠕变性能。引入门槛应力概念, 复合材料的蠕变实验结果能够用微观结构不变模型来解释, 说明复合材料的蠕变受到基体点阵扩散的控制。复合材料的蠕变断裂行为可以用Monkman2Grant 经验公式来描述, 蠕变断裂特征为延性断裂。     

不同TiB2颗粒粒径的TiB2/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结法（SPS）制备了不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料,研究了3wt% TiB₂/Cu复合材料致密度、导电率、硬度和耐电弧侵蚀性能随TiB₂颗粒粒径的变化规律,重点分析了不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为。结果表明:3wt% TiB₂/Cu复合材料致密度和硬度随TiB₂颗粒粒径的增大而略有降低;TiB₂颗粒粒径越小,TiB₂/Cu复合材料的综合性能越好。随着TiB₂颗粒粒径的增大,3wt% TiB₂/Cu复合材料耐蚀稳定性降低,3wt% TiB₂/Cu阴极材料的损耗量明显增加;当TiB₂颗粒粒径为10 μm时,3wt% TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能最佳。电弧蚀形貌观察表明:不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料经电弧侵蚀后,3wt% TiB₂/Cu复合材料均由阴极向阳极发生转移;随着TiB₂颗粒粒径的增大,阴极质量损耗逐渐增加,触头表面电弧侵蚀面积增加;而在Cu基体中引入较小的TiB₂颗粒,有利于减弱电接触实验过程中TiB₂/Cu复合材料的喷溅现象。      

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。     

TiB2-Cu 体系的自蔓延高温合成及致密化

TiB₂-Cu 系复合材料具有高强度、高导电性, 但TiB₂-Cu 体系由于润湿性较差, 制备密实TiB₂-Cu 系复合材料非常困难。本文中采用自蔓延高温燃烧合成技术研究了材料体系对合成过程中产物的特性(温度、燃烧速度及产物等) 的影响, 在此基础上采用自主开发的SHS/ QP 技术制备了致密的TiB₂-Cu 块材, 并研究了金属添加剂的影响。研究结果表明, 在体系中添加一定的金属钼或铁, 明显改善了体系的润湿性: 钼或铁的加入使产物中金属分布更加均匀, 大大降低了产物孔隙率。同时钼的加入还明显降低了晶粒尺寸。      

等离子加热反应合成TiB2-TiC-Fe2Ti复合材料

以Ti、B₄C和Fe粉为原料,采用等离子束加热反应合成TiB₂-TiC-Fe₂Ti复合材料,分析了其物相、组织结构、显微硬度和断口形貌等。结果表明：反应生成物中物相主要有TiB₂、TiC和Fe₂Ti,同时含有少量的Fe₃C。各物相以不同的形态均匀分布,TiB₂呈现六边形和长条形,TiC近似球形,Fe₂Ti作为粘结相存在于TiB₂和TiC相之间,促进了各相之间的结合。等离子束加热具有高加热及冷却速率,降低了晶粒生长时间,有利于获得细小的组织。随着电流增加,单位时间内输入坯体热量增多,TiB₂和TiC充分长大,各相之间结合更加紧密。     

SPS烧结制备TiB2/TiC复合材料

采用金属钛粉和碳化硼为初始粉料,利用SPS放电等离子烧结技术制备了致密的纳米结构TiB2/TiC复合材料.并借助XRD、SEM考察了复合材料的相组成和显微结构,利用压痕法和小样品力学性能测试方法(MSP)测定了室温显微硬度、断裂韧性和MSP强度.研究结果表明:利用一步法直接升温至1550℃并保温6 min制备的复合材料,其晶粒尺寸大于1μm,MSP强度为833 MPa.而采用两步法升温至1550℃,然后迅速降低保温温度至1450℃,并保温6 min条件下使金属钛粉和碳化硼同步完成反应、烧结、致密化,生成晶粒细小的TiB2/TiC复合材料,晶粒尺寸大约为200 nm,并且所制备的复合材料力学性能更好,MSP强度达到1095 MPa.     

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%。      

原位合成TiB2/6351Al复合材料阳极氧化的研究

颗粒增强铝基复合材料强度及模高量,具有很大的应用前景,但增强颗粒的引入使复合材料的耐蚀性大大下降,同时也给其阳极氧化带来困难.为此,将阳极氧化工艺运用于一种原位合成TiB2/6351Al复合材料,研究了阳极氧化液成分、添加剂、氧化电流密度、温度和时间对膜层质量的影响.对膜层的性能测试表明,所得氧化膜大大提高了材料的耐蚀性能.此外,通过对氧化膜表面与截面结构的深入观察,分析了该复合材料氧化膜的生长机理.     

原位合成TiB2-TiC0.8-SiC复相陶瓷的微观组织与性能研究

利用热压烧结方法原位合成了TiB2-TiC0.8-SiC复相陶瓷。通过光学显微镜(OM)、X射线衍射分析仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料物相组成和微观结构进行表征。研究了热压条件下烧结温度对材料物相组成、结构及力学性能的影响。结果表明:烧结温度在1700-1950℃范围内,随着温度的升高,材料的致密度、抗弯强度和断裂韧性都有显著改善。烧结温度为1900℃可得到完全致密的原位合成TiB2-TiC0.8-SiC复相陶瓷,材料的晶粒发育比较完善,条状TiB2和块状TiC0.8晶粒清晰可见。复合材料的维氏硬度、断裂韧性和弯曲强度分别达到23.6 GPa,(7.0±1.0)MPa.m1/2和470.9 MPa。当温度达到1950℃时,由于增强相TiB2晶粒长大,材料的强度降低。TiB2、TiC0.8与SiC颗粒协同,通过裂纹偏转、晶粒拔出、晶粒细化等机制对复合材料起到颗粒增强增韧的作用。     

微波烧结TiC/Ti6Al4V复合材料的高温氧化行为

采用微波烧结法制备TiC/Ti6Al4V复合材料,研究TiC/Ti6Al4V复合材料在550、650和750℃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:TiC/Ti6Al4V复合材料由TiC、ɑ-Ti+β-Ti三种物相组成。随着氧化温度的增加,TiC/Ti6Al4V复合材料的氧化规律由抛物线型转变为直线型,在650℃温度以下,复合材料的氧化产物主要由TiO_2组成,而750℃时氧化层主要有外层极薄的TiO_2、中间层Al_2O_3和TiO_2混合区及大部分内层TiO_2三部分组成。随着TiC含量增加,氧化激活能增大,氧化物粒径减小,TiC/Ti6Al4V复合材料的抗氧化性能也越好。     

Tensile properties and microstructures of NiAl-20TiB2 and NiAl-20TiC in situ composites

A hot-pressing aided exothermic synthesis (HPES) technique was developed to fabricate NiAl matrix composites reinforced with TiB₂ and TiC particles which were in situ reaction synthesized from elemental powders. These particles were uniformly dispersed in the matrix. The resulting products were hot isostatically pressed to nearly complete densification. It was found that the tensile yield strengths of the composites at 900°C were about two times stronger than that of unreinforced NiAl and were approximately three times stronger at 980°C. The interfaces between NiAl and TiC or TiB₂ were atomically flat, sharp and free from any interfacial phases in most cases, however, a thin interfacial amorphous layer or overlapped interfacial layer was observed at the interfaces in some cases. This type of interfacial structure may be beneficial to the strength of the composites.     

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.     

TiB2 and TiC stainless steel matrix composites

Stainless steel matrix composites reinforced with TiB₂ or TiC particulates have been in situ produced through the reactive sintering of Ti, C and FeB. X-ray diffraction analysis confirmed the completion of reaction. The TiB₂, TiC and steel were detected by X-ray diffraction analysis. No other reaction product or boride was found, indicating the stability of TiB₂ and TiC in steel matrix. The SEM micrographs revealed the morphology and distribution of in situ synthesized TiB₂ and TiC reinforcements in steel matrix. During sintering the reinforcements TiB₂ and TiC grew in different shapes. TiB₂ grew in hexagonal prismatic and rectangular shape and TiC in spherical shape.     

Investigations on the microstructures and properties of in‐situ synthesized (TiB2+Fe2B)/steel‐based composites

By adding titanium and boron elements in the molten steel whose compositions were 0.10–0.30 %C, 0.20–0.50 %Si, 0.60–1.20 %Mn and 0.50–1.50 %Cu, particulate‐reinforced metal matrix composites (MMCs) were obtained. The reinforced phase and matrix were studied by means of the optical microscopy (OM), the scanning electron microscopy (SEM) and the X‐ray diffraction (XRD). Moreover, the mechanical properties and abrasion resistance of steel‐based MMCs were measured. The results show that the in‐situ reinforced particulates of steel‐based MMCs are TiB₂ and Fe₂B. After heat treatment, the in‐situ reinforced particulates change into the nodular and granular forms from the broken networks. The mechanical properties and abrasion resistance of steel‐based MMCs are improved obviously. At last, the reason that in‐situ reinforced particulates improve the properties of steel‐based MMCs is particularly analyzed.     

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。      

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%。