莊偉彬，孫 蕊，滿生博，王筱智，劉廣柱，劉敬福

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

1 前 言

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因具有高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的耐磨性能和尺寸穩(wěn)定性，成為近年來金屬基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一[1-3]。與外加顆粒制備技術(shù)相比，原位自生復(fù)合制備技術(shù)能夠有效改善增強(qiáng)體與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度，近年來受到研究人員的廣泛關(guān)注[4-6]。鋁基復(fù)合材料中常見原位自生顆粒有TiB2、TiC、Al2O3和AlB2等[7]。其中，AlB2顆粒結(jié)構(gòu)單一、易于制備且具有優(yōu)異的性能，因此AlB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料得到了研究人員的重視[8,9]。Koksal等[8]以Al-B2O3為反應(yīng)體系，采用離心鑄造法制備了AlB2/Al復(fù)合材料，研究表明，原位自生AlB2顆?？娠@著改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。元琳琳等[9]利用Al-B反應(yīng)體系原位合成了AlB2/Al復(fù)合材料，復(fù)合材料的硬度與抗拉強(qiáng)度明顯高于純鋁基體，但塑性有所降低。然而，針對(duì)利用Al-KBF4反應(yīng)體系原位合成顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料及AlB2顆粒對(duì)6061鋁基復(fù)合材料硬度及耐磨性能影響的研究報(bào)道較少。本研究以Al-KBF4為反應(yīng)體系，采用熔鹽反應(yīng)法制備原位自生AlB2/6061復(fù)合材料。對(duì)比基體材料，研究了原位自生AlB2顆粒對(duì)復(fù)合材料顯微組織、硬度及耐磨性能的影響，以期為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供參考。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 復(fù)合材料的制備

復(fù)合材料基體選用工業(yè)6061鋁合金,制備增強(qiáng)體原料選用市售KBF4粉，其純度為97%。采用熔鹽反應(yīng)法制備原位自生AlB2/6061復(fù)合材料，制備過程如下：首先采用德國(guó)飛馳Pulverisette 7型球磨機(jī)對(duì)KBF4粉進(jìn)行球磨，球料比(質(zhì)量比)選用10∶1，轉(zhuǎn)速為200 r/min，球磨8 h；然后，將KBF4粉料用鋁箔包裹待用；采用帶有氬氣保護(hù)的坩堝爐，將6061鋁合金加熱熔化并將熔體升溫至900 ℃保溫，用石墨鐘罩將KBF4粉料壓入熔體中，加入量以生成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的AlB2來計(jì)算，機(jī)械攪拌并保溫0.5 h；待熔體降溫至720 ℃時(shí)，通過精煉和扒渣去除反應(yīng)的殘余鹽，除氣后澆鑄成型，模具為石墨模具[4]。試樣的T6熱處理工藝[10]為：固溶530 ℃×6 h；時(shí)效170 ℃×10 h。

2.2 組織和性能表征

利用倒置式Axiovert 40 MAT型金相顯微鏡和日本電子JSM-7500F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察試樣的微觀組織形貌。采用島津XRD-6100型X射線衍射儀分析復(fù)合材料的物相，管電壓為40 kV，管電流為30 mA，Cu靶，掃描范圍為10°～90°，掃描速度為8(°)/min。利用奧林巴斯OLS4500型激光共聚焦顯微鏡(laer scaning confocal microscope,LSCM)觀察試樣的磨損形貌。采用HBS-3000型布氏硬度計(jì)測(cè)試試樣的硬度，壓球直徑為5 mm，負(fù)載為250 kg，每個(gè)試樣硬度值取5次測(cè)量的平均值。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在銷盤式MMU-10G型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，銷試樣尺寸為Φ4 mm×12 mm，盤試樣材質(zhì)為GCr15，其熱處理后硬度為HRC 58～62。采用失重法[11]按式(1)來計(jì)算試樣的比磨損率W：

(1)

M=M1-M2

(2)

S=πdtn

(3)

式中，W為比磨損率，kg·N-1·m-1；M為實(shí)驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量差，kg；F為實(shí)驗(yàn)法向載荷，100 N；S為磨損實(shí)驗(yàn)總行程，m；M1為試樣磨損前質(zhì)量，kg；M2為試樣磨損后質(zhì)量，kg；d為試樣磨痕軌道的直徑，2×10-2m；t為磨損時(shí)間，5 min；n為轉(zhuǎn)速，200 r/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 反應(yīng)體系的吉布斯自由能

在Al-KBF4反應(yīng)體系中，可能發(fā)生以下(4)～(6)的反應(yīng)：

3Al(l)+2KBF4→2KAlF4+AlB2

(4)

12KBF4+13Al(l)→AlB12+12KAlF4

(5)

AlB12+5Al(l)→6AlB2

(6)

采用吉布斯自由能函數(shù)法[12]計(jì)算Al-KBF4體系在700～1200 K范圍內(nèi)，反應(yīng)(4)、反應(yīng)(5)和反應(yīng)(6)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)吉布斯自由能，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，3個(gè)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)吉布斯自由能均小于0，即3個(gè)反應(yīng)均能自發(fā)進(jìn)行。與反應(yīng)(5)和反應(yīng)(6)相比，反應(yīng)(4)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)吉布斯自由能最小，即反應(yīng)(4)最易發(fā)生，可生成穩(wěn)定AlB2。

圖1 Al-KBF4體系不同反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)吉布斯自由能Fig.1 Standard reaction Gibbs free energy of different reactions in the Al-KBF4 system

3.2 復(fù)合材料的顯微組織

圖2為原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料的XRD圖譜?？梢?，除了有Al的衍射峰外，還在2θ角分別為27.4°，34.4°，44.5°，56.5°和61.7°處出現(xiàn)了AlB2的衍射峰。除此之外，未發(fā)現(xiàn)其它物相的衍射峰。由此說明，利用本研究的制備工藝，可在6061鋁合金基體中直接合成AlB2顆粒，且無明顯中間相殘留。

圖3為原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料與基體材料的顯微組織對(duì)比。可以看出，原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料的晶粒顯著細(xì)化。在復(fù)合材料凝固過程中，原位自生AlB2顆?？勺鳛楫愘|(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，使得復(fù)合材料更易得到細(xì)小晶粒[4]。原位自生AlB2顆粒對(duì)大角度晶界有一定的釘扎作用，促使再結(jié)晶形核，進(jìn)一步細(xì)化復(fù)合材料的晶粒，使復(fù)合材料的性能獲得提高[13]。

圖2 原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composite

圖3 基體(a)與原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料(b)的顯微組織對(duì)比Fig.3 Microstructure comparison of matrix (a)and in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composite (b)

圖4為原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料顯微組織的SEM照片。由圖4a可見，復(fù)合材料中AlB2顆粒分散較均勻，無嚴(yán)重團(tuán)聚，顆粒尺寸為0.5～2.0 μm。圖4b為圖4a的局部放大圖，清晰可見AlB2顆粒呈規(guī)則六邊形。

3.3 復(fù)合材料的性能

3.3.1 復(fù)合材料的硬度

圖5為原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料和6061基體材料的硬度對(duì)比。可以看出，經(jīng)T6熱處理后，6061基體材料的平均硬度為HB 94.1，原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料的平均硬度為HB 119.1，復(fù)合材料硬度相較于6061基體提高了26.57%。

圖4 原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料的SEM照片：(a)整體形貌，(b)AlB2顆粒放大圖Fig.4 SEM images of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composites:(a)integral microstructure,(b)magnification of AlB2 particles

圖5 原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料與基體材料的硬度對(duì)比Fig.5 Hardness comparison of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composite and matrix

3.3.2 復(fù)合材料的耐磨性能

經(jīng)測(cè)試計(jì)算得，復(fù)合材料比磨損率為1.83×10-8kg·N-1·m-1，6061基體比磨損率為2.23×10-8kg·N-1·m-1，復(fù)合材料比磨損率較6061基體下降了17.94%。在相同的磨損條件下，AlB2顆粒使得復(fù)合材料的耐磨性得到了明顯提高。

圖6為原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料與基體材料的摩擦系數(shù)曲線對(duì)比，圖中紅色橫線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)數(shù)值為對(duì)應(yīng)材料的平均摩擦系數(shù)。在相同磨損條件下，復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)為0.235，6061基體的平均摩擦系數(shù)為0.285，復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)降低了17.54%。AlB2顆粒使得復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)明顯降低，耐磨性能提高。

圖6 原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料(a)與基體材料(b)的摩擦系數(shù)曲線Fig.6 Friction coefficient curves of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composites (a)and matrix (b)

圖7為原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料與基體材料的磨損形貌對(duì)比，兩者的磨損形貌都出現(xiàn)了犁溝和材料脫落現(xiàn)象，說明兩者的磨損機(jī)制均為磨粒磨損和粘著磨損。然而，對(duì)比圖7a和圖7b可以發(fā)現(xiàn)，原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料的磨損形貌中犁溝不連續(xù)、且較細(xì)而淺，材料脫落現(xiàn)象不明顯，表面磨屑較少。材料的磨損量與硬度成反比，即硬度越高，耐磨性能越好[14]。由于原位合成的AlB2顆粒使得復(fù)合材料的硬度明顯提高，因此復(fù)合材料的耐磨性能也得到了明顯改善，比磨損率明顯減少，平均摩擦系數(shù)降低。此外，采用原位自生工藝制備的3% AlB2/6061復(fù)合材料中，AlB2顆粒與6061基體之間的潤(rùn)濕性良好，界面結(jié)合強(qiáng)度高，且AlB2顆粒的硬度遠(yuǎn)高于基體，在摩擦磨損時(shí)能夠起到承載作用，可以有效地減少磨損時(shí)復(fù)合材料與對(duì)磨材料間的接觸面積，降低了復(fù)合材料的比磨損率[14]。

圖7 原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料(a)與基體材料(b)的磨損形貌Fig.7 Wear morphology of in-situ synthesized 3wt% AlB2/6061 composite (a)and the matrix (b)

4 結(jié) 論

(1)采用熔鹽反應(yīng)法，在900 ℃下通過向熔融鋁液中加入KBF4，可直接在6061基體材料中合成AlB2顆粒，顆粒尺寸為0.5～2.0 μm，并呈規(guī)則六邊形。

(2)經(jīng)T6熱處理后，3% AlB2/6061復(fù)合材料的硬度為HB 119.1，較6061基體提高了26.57%。顯微組織觀察表明，與6061基體相比，原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料晶粒明顯細(xì)化。

(3)原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料比磨損率為1.83×10-8kg·N-1·m-1，較6061基體下降了17.94%，這是由于采用原位自生工藝制備的復(fù)合材料，AlB2顆粒與基體材料之間的潤(rùn)濕性好，界面結(jié)合強(qiáng)度高，且顆粒本身硬度高，在磨損時(shí)能夠起到承載作用，有效地減少了磨損時(shí)復(fù)合材料與對(duì)磨材料間的接觸面積，提高了復(fù)合材料的耐磨性。

(4)原位自生3% AlB2/6061復(fù)合材料的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和粘著磨損，其平均摩擦系數(shù)為0.235，相較于6061基體材料降低了17.54%。而且，相較于基體材料，復(fù)合材料磨損表面的犁溝變細(xì)變淺，表面磨屑減少。