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原位合成技术是一种新型的材料制备技术。与外加增强体的复合材料相比,原位复合材料以其优异的综合力学性能而受到广泛关注。本文采用高温固-液反应法,以KBF4、K2T1F6和K2ZrF6粉剂为原料制备了(TiB2+Al3Ti+ZrB2+Al3Zr)/ZL101原位复合材料,并对原位复合材料的增强相选择、增强相形成热力学、增强相与基体材料的晶体学关系及强化机制等进行了深入研究。采用透射电镜对原位复合材料中增强相形貌、结构和分布进行了研究,测试了原位复合材料的力学性能,并借助金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等测试方法对显微组织进行表征,并对原位复合材料的拉伸断裂形貌及其机理进行了分析。
结果表明,通过三水平四因素正交实验制备(TiB2+Al3Ti+ZrB2+Al3Zr)/ZL101原位复合材料在熔炼温度为1000℃时的最佳成分配比为:Ti的含量1.8%,Zr含量1.0%,B含量0.2%。原位复合材料经过热处理后,抗拉强度为357.6MPa,延伸率为4.3%,硬度为117HB,分别较ZL101基体材料提高了36.5%、4.9%、19.4%。
金相显微组织分析表明:(TiB2+Al3Ti+ZrB2+Al3Zr)/ZL101原位复合材料的α-Al枝晶晶粒尺寸较ZL101有十分明显细化,原位复合材料的共晶硅尺寸也较基体中细小得多。经过热处理后,复合材料中的共晶硅完全粒化,尺寸仅为5μm左右,而基体ZL101的共晶硅仅有部分粒化且尺寸在15μm左右。
透射电子显微分析表明:TiB2、ZrB2呈颗粒状,尺寸大约在0.1μm,Al3Ti、Al3Zr呈长棒状,尺寸大约在0.2-0.4μm,增强相整体分布较为均匀,且与基体的界面光滑洁净,没有其他反应物生成,对基体具有显著的晶粒细化效果。
原位动态拉伸结果表明:裂纹主要在共晶Si、断裂颗粒和内部原始缺陷处形核,整个裂纹的生长过程是在主裂纹前端应力集中区内多个微裂纹形核、长大,相互连结,然后汇集到和主应力垂直方向上,形成宏观裂纹。(TiB2+Al3Ti+ZrB2+Al3Zr)/ZL101原位复合材料主要强化机制为细晶强化、固溶强化、弥散强化和混合强化。