原位自生TiB2-2009復合材料固溶時效行為研究.pdf

1、通過熱處理對顆粒增強鋁基復合材料的微觀組織進行調(diào)控，是改善材料性能的重要途徑。顆粒增強鋁基復合材料相比基體鋁合金，由于加入了增強顆粒，不僅直接影響原子的擴散路徑，而且引入界面、應力、位錯等多種影響材料固溶時效行為的條件。這將顯著影響材料的固溶時效過程中的組織變化規(guī)律，進而影響材料性能的變化規(guī)律。然而，目前增強顆粒對鋁基復合材料固溶時效行為影響的試驗結(jié)果和理論解釋中存在較大的爭議，嚴重影響顆粒增強鋁基復合材料的發(fā)展。此外，相比傳統(tǒng)外加顆粒

2、方法制備的復合材料，原位自生微納米TiB2顆粒增強鋁基復合材料中顆粒在尺寸、分布、與基體的界面等方面都有明顯的特點，因此在熱處理過程中，顆粒對材料組織和性能的變化會產(chǎn)生獨特的影響。
　　為了進一步了解原位自生顆粒對鋁基復合材料固溶時效行為的影響規(guī)律以及原理，并且據(jù)此優(yōu)化熱處理工藝，從而提高材料的力學性能，本文對原位自生 TiB2/2009復合材料的固溶時效行為進行了較深入的研究。
　　在復合材料的固溶處理研究中，發(fā)現(xiàn)復合材料

3、中“顆粒第二相團聚體”結(jié)構(gòu)嚴重影響材料的固溶行為，創(chuàng)新性地提出了在復合材料初始熔化溫度之上進行高溫固溶的方法。研究結(jié)果表明：團聚體內(nèi)的可溶性第二相難以通過共晶溫度以下的固溶處理溶解，常規(guī)溫度長時間固溶處理導致晶粒長大，引起材料的力學性能降低；提高固溶溫度至共晶溫度以上，可以促進原位自生 TiB2/2009鋁基復合材料內(nèi)殘留的可溶性第二相的溶解，增強固溶效果，從而提升材料的拉伸性能、高周疲勞極限、沖擊韌性等多種力學性能；隨著材料中團聚體尺

4、寸的增大，團聚體內(nèi)可溶性第二相溶解的難度增大，高溫固溶對復合材料力學性能的改善效果更顯著；高溫固溶處理中，由于顆粒的作用，低熔點組織的熔化現(xiàn)象被局限在團聚體內(nèi)部區(qū)域，這有效降低了低熔點組織的熔化對材料力學性能的損害?；跀U散理論，通過在可溶性第二相與基體的界面處引入了阻礙擴散路徑的顆粒層，建立了復合材料固溶理論模型，揭示了復合材料團聚體內(nèi)可溶性第二相的固溶過程的物理本質(zhì)。計算結(jié)果表明：團聚體內(nèi)被顆粒包圍的可溶性第二相固溶所需的時間相比直

5、接與基體全面接觸的合金中的可溶性第二相大幅度延長，團聚體以外的基體中的溶質(zhì)原子濃度較低，因此需要更高的溫度才會出現(xiàn)液相。
　　在復合材料的時效處理研究中發(fā)現(xiàn)，復合材料時效呈現(xiàn)雙階段的時效特征。復合材料經(jīng)過固溶淬火處理后，由于顆粒與鋁基體熱膨脹系數(shù)的差異，引起在顆粒附近的基體中存在一個位錯密度較高的區(qū)域，這導致復合材料時效過程中，材料時效相的分布出現(xiàn)“顆粒誘導富/貧析出區(qū)”?；诮?jīng)典的形核長大類型的擴散型相變理論，引入了顆粒引起的界

6、面和位錯的影響因素，建立了復合材料時效的理論模型，揭示了“顆粒誘導富/貧析出區(qū)”的產(chǎn)生原理和過程：顆粒附近區(qū)域具有較高的位錯密度，該區(qū)域的時效進程加快；其相鄰區(qū)域內(nèi)溶質(zhì)原子濃度和空位濃度降低，時效進程減慢。這種現(xiàn)象會通過形成貧析出區(qū)，損害材料的力學性能。
　　提高復合材料的固溶溫度能夠增強固溶效果，從而得到更高的過飽和度的基體，因此可以增大貧析出區(qū)內(nèi)的形核率，從而提高其析出相密度，改善“顆粒誘導富/貧析出區(qū)”特征，提升復合材料的力

7、學性能。提高固溶溫度從500℃至510℃，時效至峰值強度的狀態(tài)（180℃，14 h）下，材料的屈服強度從459 MPa提升到476 MPa、抗拉強度從564 MPa提升到597 MPa，延伸率從8.8%提升到10.7%。
　　對材料進行預深冷時效處理，增大了顆粒與鋁基體熱膨脹系數(shù)差異引起的位錯密度，強化了析出相分布的“顆粒誘導富/貧析出區(qū)”特征，引起了材料的抗拉強度和延伸率的降低。在時效之前進行合適的預變形處理，可以在復合材料中產(chǎn)