研究热挤压原位ZrB?/7085Al基复合材料的微观结构与性能

纳米ZrB?陶瓷颗粒通过熔体反应制备并添加到7085铝合金中，显著提升其室温与高温力学性能。通过热 extrusion变形调控颗粒分布，细化晶粒至4.3μm，同时增强位错钉扎和Orowan强化效应，使室温抗拉强度、屈服强度和延伸率分别提高11.3%、14.1%和39.1%，高温（250℃）性能提升幅度达11.4%-24.8%。

　　

曹睿|凯熙周|魏一鸣|钱伟|谭文东|孙伟萌|赵玉涛

江苏大学材料科学与工程学院，江苏212013，中国

摘要

将纳米ZrB₂陶瓷颗粒引入时效硬化的7085Al合金中，可以同时提高其在常温和高温度下的机械性能。ZrB₂陶瓷颗粒（30–90 nm）是通过Al-Zr-B体系内的原位反应制备的，与基体具有半相干界面关系。通过严重的热挤压变形可以改变纳米ZrB₂颗粒的聚集现象。ZrB₂颗粒在热挤压过程中引起的位错密度增加为位错重组（DRX）提供了驱动力。7085Al-2 vol% ZrB₂复合材料的微观结构是最优的。与7085Al基体合金相比，7085Al-2 ZrB₂复合材料的平均晶粒尺寸减小了68.8%，达到4.3 μm。7085Al-2 ZrB₂复合材料在常温下的抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和伸长率分别提高了11.3%、14.1%和39.1%。ZrB₂/7085Al复合材料在常温下的性能提升归因于细晶强化、Orowan强化和热膨胀系数（CTE）强化。7085Al-2 ZrB₂复合材料在高温（250°C）下的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了11.4%、14.7%和24.8%。ZrB₂/7085Al复合材料在高温下的性能提升是因为耐热的ZrB₂颗粒仍能阻碍位错移动并固定晶界。

引言

7085Al铝合金在航空航天和交通运输领域的应用得益于其轻质特性，以及出色的成型性和耐腐蚀性。[1],[2],[3]。铝合金的轻质性对环境保护和节能具有重要意义，这也对铝合金的性能提升提出了更高的要求[4]。同时，随着高速飞机的发展，对铝合金的耐热性也提出了更高的要求[5]。时效硬化铝合金的机械性能主要取决于强化析出相，尺寸更小、体积更多的析出相有利于提高机械性能[6],[7]。时效硬化铝合金中的强化相会因粗化或溶解而减弱，从而降低强化效果[8]。因此，引入热稳定的陶瓷颗粒有助于同时提高铝合金在常温和高温度下的性能。 陶瓷颗粒因其稳定的化学性质而被选为增强相，例如SiC[9]、TiC[10]、Al₂O₃[11]、B₄C[12]和TiB₂[13]。更重要的是，陶瓷颗粒能够有效细化α-Al基体并阻碍位错移动，从而显著提高铝合金的性能[14],[15]。Rong[16]等人通过粉末冶金法制备了原位Al₂O₃颗粒来增强Al₂O₃Cu合金。引入Al₂O₃颗粒后，材料的强度和塑性得到了同步提升。与Al₄Cu合金相比，Al-5CuO复合材料的析出物尺寸分布更加均匀，晶界和Al₂O₃-Al界面处的析出物数量减少，从而减轻了应力集中，有利于提高塑性。Li[17]等人发现，TiB₂/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的微观结构从粗柱状转变为细等轴状，平均晶粒尺寸从53.3 ± 28.2 μm减小到2.0 ± 0.9 μm。结果表明，引入陶瓷颗粒有效地细化了晶粒结构，TiB₂颗粒通过细晶强化、Orowan强化和热失配强化等多种机制提高了性能。 时效硬化铝合金的优异性能主要来源于大量细小析出相。然而，这些析出相在高温下容易溶解、发生相变和生长，从而大大削弱了强化效果[18]。近年来，一些研究人员通过引入陶瓷颗粒改善了铝合金的高温性能[19]。Xie[21]等人将AlN纳米颗粒和Al₂O₃亚微米颗粒同时引入6061Al基体合金中，提高了复合材料的高温性能。颗粒与Al基体之间没有空洞或裂纹，表明良好的界面结合可以有效提高复合材料的高温性能。Bai[20]通过粉末冶金法制备了MgO/Al复合材料，5 nm大小的MgO颗粒与Al基体完全相干。MgO/Al复合材料在420°C时的强度达到了300 MPa。实验结果表明，细小且分布均匀的纳米颗粒是提高性能的关键。因此，均匀分布且具有强界面结合的增强相对于提高复合材料的高温性能至关重要。 本研究将陶瓷ZrB₂颗粒引入7085Al合金中，以同时提升其在常温和高温度下的性能。纳米级ZrB₂颗粒是通过K₂ZrF₆和KBF₄工业盐直接从铝熔体中合成的。研究了ZrB₂颗粒含量对复合材料微观结构演变的影响，通过严重挤压变形改善了ZrB₂颗粒的分布，并研究了ZrB₂颗粒对热挤压过程中位错重组（DRV）和位错移动（DRX）的影响。本研究探讨了不同ZrB₂颗粒含量对复合材料在常温和高温下的机械性能的影响，并将这些发现与断裂表面特征进行了关联分析。同时独立研究了ZrB₂/7085Al复合材料在常温和高温条件下的强化机制。

ZrB₂/7085Al复合材料的制备

ZrB₂/7085Al复合材料是通过Al-Zr-B原位反应体系制备的。ZrB₂颗粒是由工业氟化物K₂ZrF₆和KBF₄盐与铝熔体反应生成的。Al与K₂ZrF₆和KBF₄盐粉末的反应方程如下[22]：