.jpg) 原標(biāo)題：壓鑄成形TiB2/ADC12 鋁合金材料組織與力學(xué)性能 高壓壓鑄成形工藝（HPDC）具有效率高、成形復(fù)雜等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于鋁合金復(fù)雜殼體零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和變速箱外殼等。為了提高壓鑄鋁合金鑄態(tài)強(qiáng)度，通常采用合金成分優(yōu)化及熱處理強(qiáng)化兩種強(qiáng)化方式。考慮到合金成分改變對(duì)流動(dòng)性的影響，實(shí)際上對(duì)合金成分調(diào)整范圍有限。另外，基于常規(guī)高壓壓鑄鋁件固有的內(nèi)部卷氣問題，不宜采用固溶時(shí)效熱處理強(qiáng)化。采用真空壓鑄一定程度上可以解決壓鑄件熱處理過程表面鼓泡問題，但在生產(chǎn)中產(chǎn)生額外的時(shí)間和生產(chǎn)成本。鑄件高速填充成形過程有利于增強(qiáng)相在鑄件中均勻分布，通過高壓壓鑄制備增強(qiáng)相強(qiáng)化鋁合金，進(jìn)而提高壓鑄件強(qiáng)度是一個(gè)值得嘗試的方案。 要保證增強(qiáng)相在鋁基體中的均勻分布且增強(qiáng)鋁基體，需滿足兩個(gè)條件：①增強(qiáng)相與鋁熔體界面潤(rùn)濕；②增強(qiáng)相界面與鋁熔體無脆性中間相。目前常用的顆粒增強(qiáng)相包括SiC、Al2O3、B4C和TiB2等。相比于其他陶瓷增強(qiáng)顆粒，TiB2具有熔點(diǎn)和硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是優(yōu)良的鋁基復(fù)合材料增強(qiáng)相。近幾年，TiB2增強(qiáng)鋁基材料研究主要集中在7000系鋁合金。研究者們等通過原位混合鹽法制備TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)彈性模量及強(qiáng)度均得到較大程度的提升。通過高能球磨+放電等離子體燒結(jié)+熱擠壓工藝制備了TiB2增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，性能大幅提高。此外，通過高壓壓鑄工藝制備TiB2顆粒增強(qiáng)壓鑄鋁合金復(fù)合材料也有少量的研究報(bào)道。研究發(fā)現(xiàn)，在AlSi9Cu2Mg壓鑄合金中直接加入TiB2納米顆粒后，晶粒尺寸顯著細(xì)化，壓鑄合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均大幅提高。但通過中間合金制備TiB2增強(qiáng)壓鑄鋁合金復(fù)合材料尚未見相關(guān)報(bào)道。已有研究表明，Al-5Ti-B晶粒細(xì)化劑包括Al3Ti和TiB2顆粒，Al3Ti相在高溫熔體中是不穩(wěn)定的（720 ℃時(shí)以40 μm/min速度溶解到鋁液中），TiB2顆粒幾乎不溶解。本研究選用工業(yè)普遍使用的ADC12壓鑄鋁合金為基體合金，以Al-5Ti-1B晶粒細(xì)化劑作為TiB2顆粒增強(qiáng)相引入源，通過常規(guī)高壓壓鑄工藝制備TiB2/ADC12鋁合金材料，研究Al-5Ti-1B含量對(duì)ADC12壓鑄合金組織及力學(xué)性能的影響，旨在為其應(yīng)用提供參考。 圖文結(jié)果 稱取一定質(zhì)量的純Al（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%）、K2TiF6粉（化學(xué)純）和KBF4粉（化學(xué)純），三者質(zhì)量比為3.9:1:2.4。將稱量好的K2TiF6粉和KBF4粉混合，充分研磨，得到混合粉料，在200 ℃的保溫箱中干燥2 h；待電阻爐中純鋁熔化后，將混合粉料分多次加入到850 ℃的純鋁熔體中并不斷攪拌；除去熔鹽反應(yīng)生成的副產(chǎn)物，得到鋁熔體，并在電阻爐中靜置30 min；扒渣，將混合熔體澆注入棒狀金屬型（預(yù)熱至200 ℃），得到Al-5Ti-1B中間合金。 將ADC12基體合金分4組放入石墨坩堝，并在720 ℃的電阻爐中熔化；待合金完全熔化后，向ADC12熔體中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%和5%的Al-5Ti-1B中間合金，并持續(xù)攪拌，形成TiB2/ADC12鋁合金，加入除渣除氣劑，扒去浮渣并在電阻爐中靜置20～30 min，最后將得到的鋁熔體經(jīng)冷室壓鑄機(jī)（Toshiba Machine DC-350J-MSmodel）壓鑄成形，壓鑄模具及壓鑄成形試樣見圖1。 采用蔡司Axio Imager 2光學(xué)顯微鏡對(duì)材料微觀組織進(jìn)行表征，使用NANO SEM430型掃描電鏡和能譜儀觀察微觀、斷口形貌并進(jìn)行成分分析，利用D8ADVANCE型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，采用CuKα弧度源，掃描角度范圍為10°~80°［45 kV，步長(zhǎng)2（°）/min， 2θ=100°］。硬度測(cè)試使用華銀HBRVS-187.5數(shù)顯布氏硬度計(jì)，加載載荷為20 N，加載時(shí)間為5 s，每個(gè)試樣測(cè)量5個(gè)點(diǎn)并取平均值。采用WDW-100G微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min，拉伸試樣為板條狀，試樣尺寸見圖2。
圖1 壓鑄模具及壓鑄試樣
圖2 拉伸試樣尺寸示意圖 圖3和圖4分別為熔鹽法制備的Al-5Ti-1B中間合金的XRD圖譜和顯微組織。可以看出，Al-5Ti-1B中間合金包含Al、Al3Ti和TiB2等3種物相。結(jié)合有關(guān)研究可知，Al3Ti相主要以塊狀分布在基體中；納米尺度的TiB2顆粒以團(tuán)聚形式存在，主要沿著α-Al晶界分布。
圖3 Al-5Ti-1B中間合金的XRD圖譜
圖4 Al-5Ti-1B中間合金微觀組織 圖5為添加不同含量Al-5Ti-1B中間合金的TiB2/ADC12鋁合金典型金相組織。圖6為α-Al晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)。圖7為添加不同含量Al-5Ti-1B中間合金的TiB2/ADC12鋁合金的SEM形貌。圖8為圖7局部區(qū)域?qū)?yīng)的放大形貌及EDS能譜。由能譜分析可知，粗大塊狀相主要含F(xiàn)e、Mn和Si等元素，針狀相主要包含Al和Ti元素，推測(cè)針狀相主要是凝固過程形成的Al3Ti相。結(jié)合相關(guān)研究分析可知，塊狀相主要是α-AlFeMnSi相。以上結(jié)果表明，Al-5Ti-1B可以形核細(xì)化α-AlFeMnSi相。
圖5 不同Al-5Ti-1B含量的TiB2/ADC12鋁合金的金相照片
圖6 不同Al-5Ti-1B含量的TiB2/ADC12鋁合金α1-Al和α2-Al平均晶粒尺寸
圖7 不同Al-5Ti-1B含量的TiB2/ADC12鋁合金SEM形貌
圖8 圖7區(qū)域?qū)?yīng)的放大形貌及EDS能譜 圖9為TiB2/ADC12鋁合金的XRD圖譜。可以看出，ADC12基體合金中的物相主要由Al和Si相組成；隨著Al-5Ti-1B含量增加，衍射譜圖中出現(xiàn)了Al3Ti的衍射峰，且隨著含量增加衍射峰逐漸增強(qiáng)，與SEM分析結(jié)果一致。另外，由于TiB2含量較低，在合金材料中未見其衍射峰。圖10為加入不同含量Al-5Ti-1B的TiB2/ADC12鋁合金試樣硬度變化。 圖11為TiB2/ADC12鋁合金典型拉伸曲線及力學(xué)性能。圖12為添加不同含量Al-5Ti-1B中間合金的TiB2/ADC12鋁合金的室溫拉伸斷口形貌。可以看出，斷口均以混合斷裂為主，包括韌窩組織及沿晶斷裂混合組織。
圖9 不同Al-5Ti-1B添加量下TiB2/ADC12鋁合金XRD圖譜
圖10 不同Al-5Ti-1B添加量時(shí)TiB2/ADC12復(fù)合材料試樣硬度
圖11 不同Al-5Ti-1B添加量時(shí)TiB2/ADC12鋁合金的力學(xué)性能
圖12 不同Al-5Ti-1B含量的TiB2/ADC12鋁合金室溫拉伸斷口形貌 結(jié)論 （1）向ADC12壓鑄鋁合金中外加Al-5Ti-1B中間合金，可以有效細(xì)化粗大的一次結(jié)晶相（α1-Al）和α-AlFeMnSi金屬間化合物，但對(duì)細(xì)小二次結(jié)晶相（α2-Al）無明顯細(xì)化作用。 （2）外加Al-5Ti-1B量超過5%時(shí)，α1-Al不再細(xì)化，組織中出現(xiàn)針狀粗大的Al3Ti相。 （3）外加Al-5Ti-1B量為3%時(shí)，硬度（HBW）、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率達(dá)到最優(yōu)，分別為110、290 MPa、179 MPa和6.2%。
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