稀土La对原位自生A356-TiB₂复合材料组织与性能的影响机制探究.docxVIP

稀土La对原位自生A356-TiB?复合材料组织与性能的影响机制探究

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着现代工业的快速发展，对材料性能的要求日益提高，单一性能的金属以及合金已经难以满足工业生产对材料综合性能的需求。金属基复合材料以其高强度、高模量、低密度等优异性能，在航空、航天、汽车等领域展现出广阔的应用前景，成为材料科学研究的热点之一。

原位自生TiB?颗粒增强铝基复合材料，由于其增强相TiB?颗粒在铝基体中原位生成，具有与基体界面结合良好、颗粒尺寸细小且分布均匀等优点，能显著提升铝基复合材料的力学性能、耐磨性和耐热性，受到了广泛关注。其中，以A356铝合金为基体的原位自生A356-TiB?复合材料，结合了A356铝合金良好的铸造性能和TiB?颗粒的高硬度、高模量特性，在汽车、航空航天等领域具有潜在的应用价值。

然而，A356合金作为该复合材料的基体，其铸态组织中存在粗大的α-Al枝晶和片状共晶硅，这在一定程度上限制了复合材料力学性能的进一步提升。通过晶粒细化和共晶变质等手段改善A356基体合金的铸态组织，对于提高原位自生A356-TiB?复合材料的力学性能具有重要意义。同时，稀土元素在铝合金中具有变质、净化和微合金化等作用，加入稀土元素（如La）有望进一步优化复合材料的组织和性能。

因此，研究原位自生A356-TiB?-La复合材料的组织性能，不仅有助于深入理解稀土元素对原位自生铝基复合材料的作用机制，还能为开发高性能的铝基复合材料提供理论依据和技术支持，对推动铝基复合材料在工业领域的广泛应用具有重要的现实意义。

1.2原位自生TiB?增强铝基复合材料研究进展

1.2.1制备工艺

原位自生TiB?增强铝基复合材料的制备工艺是决定其性能的关键因素之一，常见的制备工艺主要包括以下几种：

放热弥散法（XD?）：该方法是将钛粉和硼粉等按一定比例混合，制成预制块，然后将预制块加热到一定温度，使其发生放热反应，原位生成TiB?颗粒，再将含有TiB?颗粒的预制块加入到铝基体中进行稀释重熔。这种方法的优点是可以在较高温度下合成增强相，增强相的热力学稳定性好。但存在预制块中的原位自生颗粒尺寸和含量难以精确控制，且在稀释重熔过程中原位自生颗粒难以分散均匀的问题，这在实际生产应用中受到一定限制。

接触反应法（CR）：利用钛或钛合金与含硼化合物在一定条件下发生接触反应，在铝基体中生成TiB?颗粒。采用接触反应法制备的TiB?/Al基复合材料所形成的增强颗粒尺寸较大，且反应过程难以精确控制，这会影响复合材料性能的均匀性和稳定性。

混合盐反应法：通过金属盐（如K?TiF?、KBF?等）在铝熔体中发生化学反应，原位生成TiB?颗粒。这种方法制备工艺简单、可操作性强，且自生颗粒尺寸小，有利于材料液态成型，适合于大规模工业化生产。上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所采用混合盐反应法原位合成TiB?/Al基复合材料，攻克了熔体反应控制、熔体纯净化处理等关键难题，所制备的TiB?颗粒尺寸细小（纳米和亚微米级），外形圆整，与基体间具有良好的相容性，实现了大型构件和复杂构件的直接铸造成形。

机械合金化法（MA）：将各种粉末（铝粉、钛粉、硼粉等）置于高能球磨机中球磨，球磨过程中粉末反复受到强烈的塑性变形，通过元素间的固态扩散和化学反应原位生成TiB?颗粒增强相。该方法的最大特点是制备材料不受相律支配，可比较自由地选择金属和构成相，但制备过程能耗高、生产效率低，且难以制备大尺寸的复合材料。

自蔓延高温合成法（SHS）：利用反应物之间的化学反应热来引发反应，使反应在极短时间内迅速完成，原位生成TiB?颗粒。此方法反应速度快、生产效率高，但反应过程难以控制，容易导致增强相颗粒尺寸不均匀，且可能会引入杂质，影响复合材料的性能。

不同制备工艺各有优缺点，在实际应用中需要根据具体需求和条件选择合适的制备方法，以获得性能优异的原位自生TiB?增强铝基复合材料。

1.2.2微观组织及力学性能

TiB?颗粒在铝基复合材料中的微观组织及分布状态对复合材料的力学性能有着至关重要的影响。

从微观组织来看，TiB?颗粒在铝基体中的分布情况直接影响着复合材料的性能均匀性。当TiB?颗粒均匀弥散分布在铝基体中时，能够有效地阻碍位错运动，提高材料的强度和硬度。这是因为位错在运动过程中遇到TiB?颗粒时，需要绕过颗粒或者切过颗粒，这增加了位错运动的阻力，从而使材料的强度得到提高。如果TiB?颗粒发生团聚现象，团聚区域会成为应力集中点，在受力时容易引发裂纹的萌生和扩展，降低复合材料的力学性能。

TiB?颗粒的尺寸也是影响复合材料力学性能的重要因素。一般来说，细小的TiB?颗粒具有更高的比表面积，与铝