原位TiB2-A356復(fù)合材料的攪拌摩擦加工及其超塑變形特性研究.pdf

1、原位顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量，制備成本低，易于二次加工等優(yōu)點(diǎn)，而且可避免采用外加顆粒所產(chǎn)生的表面污染、界面結(jié)合差、易生成脆性相等缺點(diǎn)，使其成為金屬基復(fù)合材料中研究和應(yīng)用最為廣泛的一種。然而，同傳統(tǒng)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料一樣，增強(qiáng)顆粒的引入，使復(fù)合材料的塑性成形加工性能變差，特別是給復(fù)雜形狀構(gòu)件的成形帶來困難，這在很大程度上限制了其應(yīng)用和發(fā)展。因此，研究原位鋁基復(fù)合材料的超塑性，尤其是高速超塑性成為鋁基復(fù)合材料制備與加工

2、領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
　　本文以廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的A356鋁合金為基體，基于K2TiF6-KBF4-Al體系原位制備了增強(qiáng)體含量分別為0.5vol.％，1vol.％，3vol.％的TiB2/A356鋁基復(fù)合材料并研究其高溫超塑性。同時(shí)本文采用同樣的方法制備了TiB2/Al復(fù)合材料，以便避開合金析出相的影響，并深入研究原位TiB2增強(qiáng)體對(duì)復(fù)合材料超塑性的影響及其機(jī)理。為細(xì)化復(fù)合材料基體和增強(qiáng)體的晶粒，使增強(qiáng)顆粒在基體中分

3、布更加均勻，進(jìn)而提高復(fù)合材料的超塑性能，本文借助攪拌摩擦加工對(duì)制備的復(fù)合材料進(jìn)行變形預(yù)處理。
　　組織結(jié)構(gòu)分析:采用金相顯微鏡(OM)，X射線衍射(XRD)，掃描電鏡(SEM)和能譜分析(EDS)對(duì)基于K2TiF6-KBF4-Al體系所制備的TiB2/A356鋁基復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明在所制備的復(fù)合材料材料內(nèi)部生成了尺寸約為0.1～2μm、呈六面體形或多邊狀的TiB2增強(qiáng)體顆粒;其中，部分TiB2增強(qiáng)顆粒沒有生

4、長(zhǎng)完整，呈不規(guī)則尖角小塊形狀，局部分布團(tuán)聚。攪拌摩擦加工使TiB2/A356復(fù)合材料基體中的枝晶硅由樹枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)槭旨?xì)小的微粒狀，而且分散得非常均勻;復(fù)合材料中的TiB2顆粒被細(xì)化為亞微米尺寸，小部分顆粒尺寸為納米級(jí)別，并且團(tuán)聚的顆粒被打散，分布均勻化。
　　高溫單向拉伸試驗(yàn):將攪拌摩擦加工處理后的復(fù)合材料在不同溫度(400℃、480℃、550℃)以及不同應(yīng)變速率(10-3s-1，10-2s-1，2×10-2s-1)的條件下進(jìn)行高

5、溫拉伸。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明:復(fù)合材料的流變應(yīng)力隨溫度的升高而減小;在相同溫度下，流變應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率的變化反映不明顯;在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，與TiB2/Al相比，TiB2/A356比呈現(xiàn)出更大的流變應(yīng)力。然而，兩種復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率均隨增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的增大而減小，在增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，TiB2/A356的伸長(zhǎng)率明顯低于TiB2/Al。其中，變形溫度為550℃，應(yīng)變速率為10-2s-1時(shí)，TiB2/Al具有最大伸長(zhǎng)率170％;而TiB2/A35

6、6在變形溫度為400℃，應(yīng)變速率為10-2s-1的實(shí)驗(yàn)條件下獲得的最大伸長(zhǎng)率145％。復(fù)合材料的應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m值解析表明:TiB2/Al與TiB2/A356的m值隨著應(yīng)變速率的增大都是呈現(xiàn)先增大后減小，且TiB2/A356的m值整體小于TiB2/Al的m值，表明TiB2/A356復(fù)合材料對(duì)應(yīng)變速率相對(duì)不敏感。
　　超塑變形機(jī)理分析:通過晶粒擠入模型對(duì)原位TiB2/Al和TiB2/A356復(fù)合材料從晶粒尺度，增強(qiáng)體和析出相三個(gè)

7、方面進(jìn)行了機(jī)理的分析。分析表明，基體晶粒尺寸越小，晶粒擠入過程越容易發(fā)生，超塑性能越好;TiB2增強(qiáng)顆粒在復(fù)合材料進(jìn)行超塑變形過程中對(duì)晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)起到了阻礙作用，降低了復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率;與TiB2/Al復(fù)合材料比較分析，TiB2/A356復(fù)合材料組織中的析出相在變形過程中提高流變應(yīng)力的同時(shí)，低了復(fù)合材料在超塑變形過程中的伸長(zhǎng)率，其中，Al-Si析出阻礙了晶粒擠入機(jī)理的進(jìn)行。
　　高溫拉伸本構(gòu)方程的建立:基于Arrhenius方程，本