原位TiB₂颗粒增强7075铝基复合材料的微观结构与性能调控研究.docxVIP

原位TiB?颗粒增强7075铝基复合材料的微观结构与性能调控研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业不断发展的进程中，对材料性能的要求日益严苛。铝基复合材料凭借其高比强度、高比模量、低密度以及良好的导热性和耐磨性等优势，在航空航天、汽车制造、电子设备等众多领域展现出广阔的应用前景，成为材料科学领域的研究热点之一。

铝合金由于高强度、低质量密度、优异的延展性和高耐腐蚀性而受到广泛的应用，同时，又因其高导电率、高导热率和良好的可制造性，使得铝合金成为最具有前途的航空航天和交通运输等领域所用材料。高强铝合金一般指可热处理强化的含铜元素的2×××、含锌元素的7×××铝合金，主要应用在需要高强、高韧、耐腐蚀、高耐损伤要求的航空航天领域。7075铝合金作为一种典型的高强铝合金，含有锌、镁、铜等合金元素，具有强度高、硬度大、耐腐蚀性较好等特点，在航空航天、军事装备、汽车制造等高端领域应用广泛，比如航空航天器的结构件、起落架部件，军事装备中的武器零部件，汽车的轮毂、发动机部件等。然而，随着现代工业对材料性能要求的不断提高，单一的7075铝合金在某些性能方面逐渐难以满足需求。像是在航空航天领域，对于材料的比强度和比模量要求极高，7075铝合金在这方面还有提升空间；在一些高速运转、高负荷的机械部件应用场景中，其耐磨性也有待增强。

为了进一步提升7075铝合金的性能，以满足现代工业的多样化需求，在7075铝合金基体中引入增强相制备铝基复合材料成为重要的研究方向。原位TiB?颗粒增强7075铝基复合材料应运而生，这种复合材料是通过原位反应，在7075铝合金基体内生成TiB?颗粒。原位生成的TiB?颗粒具有尺寸细小、界面清洁、与基体相容性好且弥散分布等显著优点。这些特性使得TiB?颗粒能够有效地阻碍位错运动，抑制基体晶粒的长大，从而显著提高复合材料的强度、硬度、耐磨性和热稳定性等性能。

研究原位TiB?颗粒增强7075铝基复合材料具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，深入探究该复合材料的组织形成机制以及性能演变规律，能够进一步丰富和完善金属基复合材料的理论体系，为材料科学的发展提供理论支撑。通过研究TiB?颗粒在7075铝合金基体中的形核、生长过程以及它们与基体之间的界面结合状态，有助于揭示原位增强相在金属基复合材料中的强化机制，从而为开发新型高性能金属基复合材料提供理论指导。

在实际应用方面，该复合材料性能的提升能够有力推动相关产业的发展。在航空航天领域，使用这种复合材料制造飞行器的结构部件，可以在减轻重量的同时提高结构的强度和稳定性，进而提升飞行器的性能，降低能耗和运行成本，增强航空航天器在太空中抵抗复杂环境的能力；在汽车工业中，应用该复合材料制造发动机零部件、底盘部件等，能够提高汽车的燃油经济性、操控性和安全性，减少尾气排放，符合环保和节能的发展趋势；在电子设备领域，其良好的散热性能和尺寸稳定性，使其可用于制造高性能的散热器件和精密电子元件，提高电子设备的运行稳定性和可靠性。

1.2国内外研究现状

1.2.1制备工艺研究

原位TiB?颗粒增强7075铝基复合材料的制备工艺是研究的关键环节，国内外学者对此进行了大量探索，旨在实现TiB?颗粒在7075铝合金基体中的均匀分布，并优化复合材料的性能。原位合成工艺是制备该复合材料的常用方法，其通过在一定条件下，使加入到基体金属熔液中的粉末或其他材料与基体发生化学反应，在金属基体内原位生成高硬度、高弹性模量的TiB?陶瓷增强相。这种工艺能使生成的TiB?颗粒尺寸细小、界面清洁、与基体相容性好且弥散分布，有效提升复合材料的性能，降低原材料成本，实现特殊显微结构设计，因而成为研究热点。

机械化合金法（MA）通过高能球磨使金属粉末与增强相粉末充分混合，在球磨过程中，粉末不断受到冲击、剪切和摩擦作用，晶粒逐渐细化，原子扩散加剧，从而引发原位反应生成TiB?颗粒。MA法制备的复合材料具有成分均匀、颗粒细化等优点，但该方法设备成本高，生产效率低，且球磨过程中易引入杂质，影响复合材料的性能。

自蔓延高温合成法（SHS）利用化学反应自身放出的热量维持反应的持续进行，使反应物在短时间内发生剧烈的化学反应，生成TiB?颗粒增强相。SHS法具有反应速度快、生产效率高、能耗低等优势，但反应过程难以精确控制，可能导致产物成分和组织结构不均匀，影响复合材料性能的稳定性。

放热弥散法（XDTM）是将含有钛、硼元素的中间合金加入到铝合金熔体中，通过中间合金与铝合金熔体之间的放热反应，原位生成TiB?颗粒。这种方法工艺相对简单，易于操作，能够实现连续化生产，适合大规模工业生产的需求。不过，反应过程中可能会产生一些副反应，对复合材料的性能