摘要：铝基复合材料（AMCs）具有低热膨胀系数、低密度、高比强度、高比刚度、良好的耐磨性、尺寸稳定性和导热性，被广泛应用于航空航天、电子封装、汽车等领域。颗粒增强铝基复合材料可以通过非原位自生法，如热压烧结法和粉末冶金法，将增强颗粒直接添加到熔融基体或粉末中，再通过
铝基复合材料（AMCs）具有低热膨胀系数、低密度、高比强度、高比刚度、良好的耐磨性、尺寸稳定性和导热性，被广泛应用于航空航天、电子封装、汽车等领域。颗粒增强铝基复合材料可以通过非原位自生法，如热压烧结法和粉末冶金法，将增强颗粒直接添加到熔融基体或粉末中，再通过铸造、热压烧结或者粉末冶金等手段将陶瓷颗粒复合到铝基体中进行制备。由于增强颗粒的表面氧化和污染，导致颗粒与基体之间存在界面反应和较差的润湿性，使得材料的性能无法进一步提高。因此，均匀分散且具有润湿角小和热稳定性高等特征的陶瓷颗粒是获得最佳力学性能的必要条件。
原位增强颗粒通常是通过复合材料制造过程中不同元素之间的化学反应合成的。通过原位自生反应合成的颗粒热力学稳定，无任何表面氧化和污染，具有更好的润湿性、颗粒与基体之间的界面结合良好。其次，在凝固过程中，细小的原位颗粒细化了晶粒组织，从而获得更好的力学性能。近年来，原位TiB2/Al复合材料由于TiB2陶瓷颗粒的理想性能而成为传统AMCs的候选材料。TiB2陶瓷颗粒具有高熔点、高硬度和高刚度等特性，主要通过混合盐法（即K2TiF6 和 KBF4）制备，但其对环境不友好，且生成的颗粒较为单一，因此现在对Al-Ti-B4C体系研究较多。该体系能够同时生成TiB2和TiC两种陶瓷颗粒，有助于解决目前颗粒增强铝基复合材料制备过程中所面临的难题。
铝基复合材料中加入的陶瓷颗粒大多属于微米、亚微米和纳米级，陶瓷颗粒的比表面积大，表面活性高，易发生团聚，因此无法制备高体积分数的复合材料，导致材料性能的提高受限。为解决这一难题，LI Z等通过超声搅拌铸造制备了体积分数为10%的SiCp/7085复合材料。结果表明，超声空化形成的高温高压可以有效消除颗粒团簇，改善SiC颗粒的分布，提高复合材料的界面润湿性，形成MgAl2O4和颗粒表面的MgO，从而改善复合材料的耐磨性；JIANG J F等通过超声辅助半固体搅拌法，制备了纳米尺寸SiC/7075铝基复合材料，将超声处理和半固态搅拌结合在一起以分散纳米级SiC，并破坏基质的主要树枝状晶体，研究了材料的微观结构和力学性能。结果表明，由于瞬时空化和声流的作用，超声处理可以很好地分散纳米级SiC颗粒。与7075基体相比，纳米级SiC/7075铝基复合材料的屈服强度和抗拉强度有所提高。目前，克服颗粒团聚提出的方法主要有：机械搅拌、超声搅拌、添加变质剂、添加稀土等方式，但是并未完全解决颗粒团聚的问题，使用机械、超声搅拌辅助颗粒分散功率小，无法使颗粒分散效果达到最佳，功率大则易发生卷气，造成缺陷，而单纯添加稀土或者变质剂对颗粒的分散及性能的提高有限。为了更好地改善颗粒的分散问题，本研究采用搅拌+稀土的方式来制备复合材料，研究稀土元素添加量对颗粒增强铝基复合材料组织及力学性能的影响，旨在为相关研究提供参考。
【研究亮点】
采用接触搅拌法制备TiCp+TiB2p/ZL205A复合材料，研究了稀土Ce含量对材料微观组织和力学性能的影响。发现添加Ce能显著改善颗粒分散效果，抑制团聚，细化晶粒尺寸，稀土含量为0.1%时效果最佳。稀土含量为0.1%时，复合材料的抗拉强度达到426.3 MPa，伸长率为1.56%，显示出优异的力学性能。
【全文导读】
昆明理工大学卢德宏教授团队在2024年第44卷第10期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“Ce对TiCp+TiB2p/ZL205A复合材料组织及性能影响”的文章，作者以钛粉、碳化硼粉、铝粉和ZL205A为原料，采用接触搅拌法制备了TiCp+TiB2p/ZL205A复合材料，研究了稀土Ce含量对复合材料微观组织和力学性能的影响。结果表明，添加Ce改善了TiCp+TiB2p/ZL205A复合材料中增强颗粒在基体中的分散效果，抑制了复合材料中颗粒的团聚，并细化了晶粒尺寸。稀土含量为0.1%时，颗粒分散均匀性良好，晶粒尺寸细化最明显。挤压后TiCp+TiB2p/ZL205A复合材料的抗拉强度、伸长率分别为426.3 MPa、1.56%。
【图文解析】
基体合金选用自主研发的多组元多相ZL205A铝合金，牌号为ZAlCu5MnCdVA，其成分见表1。
稀土元素Ce通过添加Al-5Ce中间合金锭的方式引入，采用质量分数为99%的Al粉、Ti粉、B4C粉制备预制体，中位粒径分别为45、25和25 μm。
使用精度为0.01 mg的电子天平称取初始粉末Al粉、Ti粉、B4C粉，w（Ti）∶w（B4C）∶w（Al）=2.5∶1∶6，并放入球磨罐中，将无水乙醇倒入罐中至约4/5罐体高度处，高能球磨1 h。结束后将球磨罐打开盖子放入干燥箱中进行烘干，温度为80 ℃，时间为8 h。完成后使用筛网将混合粉末筛出，称取一定量混合粉末采用冷压成形的方式制成ϕ27 mm×35 mm的试样。将制备的坯体放入真空干燥箱中进行烘干处理。
取一定质量的ZL205A铝锭表面清理干净放入中频炉中，升温熔化铝锭至液态后继续加热，将炉温升至950 ℃。预制圆柱体坯体固定于石墨钟罩里，缓慢压入熔融的铝液中并进行电磁搅拌，电压为350 V，电流为57 A，频率为35 Hz，使坯体完全熔于Al液中。预制坯体在铝合金熔体中充分反应。随后取出石墨钟罩保温30 min。保温过程中电磁搅拌促进了增强颗粒的分散，同时也使反应进行得更彻底。保温结束后再向复合材料中添加xAl-5Ce块（x=0.1%、0.2%、0.3%，质量分数），保温10~20 min后加入C2Cl6除杂，再保温10 min后浇注为铸态复合材料圆锭。通过线切割切出ϕ25 mm×40 mm的圆柱试样，加热至400 ℃，采用 800 kN挤压压力、10∶1的挤压比挤压出ϕ2 mm的棒状试样，经过热处理，加工成GB/T228.2-2015规定的标准拉伸试样。538 ℃×12 h固溶，结束后迅速取出并在60 ℃温水中进行淬火处理，165 ℃×10 h时效，然后将试样在空气中自然冷却至室温。从挤压后的棒状试样上进行取样，用尼康M30光学显微镜观察材料的相组成和颗粒在基体中的分散情况。采用D/max 2200 X射线衍射仪（XRD）测定试样的相组成，采用EVO18-21-57场发射扫描电镜（SEM）分析试样的显微组织特征和拉伸断口形貌。采用E45.105（UTC2017-049）万能试验机测试室温下的拉伸性能，应变速率为2.5×10-4 s-1，每组试验测量4次结果取平均值。
图1不同Ce含量下铸态TiCp +TiB2p /ZL205A复合材料XRD图
图2不同Ce含量挤压态TiCp +TiB2p /ZL205A复合材料的金相组织
图3Ce含量0.1%挤压态TiCp +TiB2p /ZL205A复合材料SEM图和元素面扫描图
图4不同Ce含量TiCp+TiB2p/ZL205A复合材料应力-应变曲线
图5不同Ce含量挤压态TiCp+TiB2p/ZL205A复合材料断口SEM图
【主要结论】
颗粒分散：添加Ce能在颗粒与基体间形成界面层，改善颗粒团聚问题，使颗粒分散更均匀。
力学性能：Ce含量为0.1%时，复合材料的抗拉强度最高，达到426.3 MPa，伸长率为1.56%，显示出良好的力学性能。
界面影响：随着Ce含量增加，界面层脆化，导致性能下降，因此稀土含量为0.1%时材料的性能最佳。
【本文引用格式】
中文：丰翔, 柏瑶一, 卢德宏.Ce对TiCp+TiB2p/ZL205A复合材料组织及性能影响[J].特种铸造及有色合金，2024，44（10）：1302-1306.
英文：FENG X, BAI Y Y, LU D H.Effects of Ce on microstructure and properties of TiCp+TiB2p/ZL205A composites[J].Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（10）：1302-1306.
来源：特铸杂志
