顆粒增強鋁基複合材料(PRAMCs)具有低密度、高強度、良好的耐磨性、抗疲勞性和低熱膨脹係數等優異的性能，在航空航天、汽車、船舶等行業中得到了廣泛應用[1~4]。在各種增強材料中，TiB2因具有高熔點、高硬度、高模量、良好的導熱性、高耐磨性和低密度，且與鋁基體之間沒有界面反應，被認為是最優的鋁基增強材料之一[5,6]。Al-Cu合金因具有強度高、加工性能好等特點被廣泛應用於航空航天工業和汽車等領域[7]，但Al-Cu合金的屈服強度較低很大程度上影響了其應用[8]。將TiB2顆粒引入Al-Cu合金中進一步的提高其力學性能，並發現納米增強顆粒有4種機制來強化基體合金[9~12]：細晶強化、承載轉移強化、Orowan強化和CTE錯配強化[13~15]。但是，以往的研究中沒有詳細的介紹4種強化機制中增強顆粒與位錯運動的關係。
中北大學研究毛紅奎副教授聯合北方車輛集團在2023年第43卷第4期《特種鑄造及有色合金》期刊上發表了「原位合成5TiB2/Al-4.5Cu複合材料組織及性能的研究」一文。文章採用機械攪拌輔助混合鹽法製備了TiB2質量分數為5%的Al-4.5Cu複合材料，藉助光學顯微鏡、XRD、SEM、DES和TEM檢測儀器對複合材料進行微觀組織觀察和分析，並做了拉伸試驗測試了其力學性能。結果發現，TiB2顆粒通過產生位錯塞積、位錯環以及增加位錯密度等方式阻礙位錯的運動來強化基體合金。添加5%的TiB2的Al-4.5Cu合金屈服強度和抗拉強度比Al-4.5Cu合金分別提高了68.94%和32.65%，伸長率降低了45.56%，但其綜合拉伸性能仍提高了11.33%。
【引用格式】
李聰,徐宏,毛紅奎,等.原位合成5TiB2/Al-4.5Cu複合材料的組織及性能[J].特種鑄造及有色合金,2023,43(4):469-474.
LIC,XU H,MAO H K,et al.Microstructure and properties of in-situ synthesized 5TiB2/Al-4.5Cu composites[J].Special Casting & Non-ferrous Alloys,2023,43(4):469-474.
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【研究方法】
以工業純鋁，工業純銅，K2TiF6鹽和KBF4鹽為原材料，分別製備了TiB2含量為5% 的Al-4.5Cu（簡寫為5TiB2/Al-Cu複合材料）和Al-4.5Cu兩組試樣。
製備5TiB2/Al-Cu複合材料過程為：①將原材料和金屬模具在200℃的烘箱中保溫1h除去結晶水；②在電阻爐中將烘乾的純鋁和純銅加熱至870℃時，加入烘乾的混合鹽(K2TiF6鹽和KBF4鹽以Ti/B摩爾比為1：2混合)並機械攪拌1h，反應結束後通過傾斜坩堝除去熔體頂部的副產物KAlF4和K3AlF6等爐渣；③熔體溫度降至730~750℃時，加入C2Cl6進行除氣、撇渣；④熔體降溫至720℃時澆入預熱200℃的金屬型中，澆注鑄件見圖1a，採用電感耦合等離子發射光譜儀(Thermo Fisher ICAP-6300)進行成分分析，結果見表1；⑤鑄件在538℃下固溶10h，在70℃水中冷卻（T6處理）；後在175℃下時效6h，空氣冷卻至室溫。
(a)鑄件澆注示意圖(b) 拉伸試樣
圖1 鑄件澆注試樣和拉伸試樣
【研究結果】
錯配強化效果最為顯著，因TiB2顆粒周圍存在殘餘塑性應變引發大量位錯，增加位錯密度，造成位錯塞積。其次是Orowan強化，其藉助α-Al晶粒內細小的TiB2顆粒形成位錯環，增加位錯運動的阻力。接著是細晶強化，是藉助TiB2顆粒作為異質形核點和影響凝固界面前沿來增多晶界，阻礙位錯運動；最後是承載轉移強化，因TiB2顆粒含量不高，其強化效果不明顯。
5TiB2/Al-4.5Cu的屈服強度和抗拉強度分別為219.76 MPa和354.65 MPa，比基體分別提高了68.94%和32.65%；伸長率為5.76%，比基體降低了45.56%，主要原因是晶界處形成的TiB2顆粒網阻礙了晶粒的變形。雖然伸長率有所降低，但其綜合拉伸性能仍提高了11.33%。
圖2 TiB2/Al-Cu的XRD分析結果
(a) Al-Cu(b) TiB2/Al-Cu
圖3 兩級試樣偏振光顯微組織
(a)EDS面掃分析(b)SEM形貌(c)EDS點分析
圖4 TiB2/Al-Cu的SEM和EDS分析結果
(a) 晶粒內部的SEM形貌(b)晶界處的SEM形貌(c)TEM形貌
圖5 TiB2顆粒形貌
(a)拉伸應力應變曲線(b) Al-Cu合金組織(c)TiB2/Al-Cu組織 (d)TiB2/Al-Cu放大
圖6 拉伸應力應變曲線及拉伸斷口形貌
(a)TiB2/Al-Cu複合材料TEM形貌(b) TiB2/Al-Cu複合材料位錯的分布(c) TiB2/Al-Cu複合材料晶界附近的位錯(d) Al-Cu合金圍繞TiB2顆粒的位錯環(e) Al-Cu合金TiB2顆粒周圍的位錯(f) Al-Cu合金TiB2顆粒網附近的位錯
圖7 兩組合金的TEM形貌
編輯：江姍
審核：劉晨輝