【摘 要】
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当前,“双碳”目标下的发展战略进一步推动了轻量化高温材料的研究,铝合金因具有较高的比强度等优势而成为高温材料中的有力候选之一。由于金属间化合物和沉淀相在高温下不可避免地发生粗化、软化或稳定化相变,导致现有耐热铝合金高温强度有限。在此背景下,原位合成铝基复合材料在高温性能方面表现出了巨大潜力与优势,由于铝基复合材料可通过改变第二相材料的比例、形状、尺度和构型来调节材料的性能,因而组织的可设计性高。本
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当前,“双碳”目标下的发展战略进一步推动了轻量化高温材料的研究,铝合金因具有较高的比强度等优势而成为高温材料中的有力候选之一。由于金属间化合物和沉淀相在高温下不可避免地发生粗化、软化或稳定化相变,导致现有耐热铝合金高温强度有限。在此背景下,原位合成铝基复合材料在高温性能方面表现出了巨大潜力与优势,由于铝基复合材料可通过改变第二相材料的比例、形状、尺度和构型来调节材料的性能,因而组织的可设计性高。本文以Al-X-O系为基础,采用液固反应法与热挤压工艺制备了含有较高体积分数的多种原位金属间化合物、陶瓷粒子增强的铝基复合材料,研究了不同体系复合材料的微观组织、力学性能与断裂行为,为制备高强耐热铝材提供了新思路。本文的主要研究内容如下:（1）对多种氧化物与Al的原位反应体系进行了研究,包括Al-CuO、Al-Fe203、Al-MnO2、Al-La2O3、Al-B2O3等。所有体系中均原位反应生成了热稳定的增强相,即微米级的Al2Cu、Al13Fe4、Al6Mn、Al11La3、AlB2和纳米级的A12O3,从而实现了多相、多尺度颗粒增强铝基复合材料的制备。上述系列复合材料中,金属间化合物在铝基体中分布较为均匀,纳米Al2O3在微观组织中略有团聚。经热挤压变形后,上述复合材料纵截面中的第二相粒子在挤压方向上呈流线状分布,基体晶粒一般为亚微米级,比如,（14.7A12O3+6.9AlB2）/Al复合材料纵截面的平均晶粒尺寸为0.74 μm。力学性能测试结果表明,不同Al-X-O系复合材料的特点各异,比如,（3.2Al2O3+9Al13Fe4）/Al复合材料室温下在保持280 MPa拉伸强度的基础上,具有19.2%的高延伸率,（14.7Al2O3+6.9AlB2）/Al复合材料350℃下抗拉强度可达220 MPa,但塑性较差。（2）在上述复合材料反应体系的基础上,对Al-X-O复合材料体系进行优化设计,根据金属间化合物和陶瓷粒子的特性,通过调整Fe2O3与B2O3含量,经原位反应后得到了三种（Al2O3+Al13Fe4+AlB2）/Al复合材料。分析发现,多边形状的AlB2粒子平均尺寸为1～2 μm,长条状的Al13Fe4粒子平均尺寸为1～4μm,α-Al平均晶粒尺寸为0.5～3 μm,纳米Al2O3表现出沿晶界分布的特点。热挤压使复合材料中的α-Al形成＜111＞//ED丝织构,Al13Fe4粒子形成（400）//ED取向。高温拉伸结果表明,原位制备的（12.5Al2O3+4.5Al13Fe4+5.3AlB2）/Al 复合材料在 350℃强度可达 235 MPa。此外,优化后的三种复合材料在350℃的强度值均可保持室温强度值的50%以上,（10.5Al2O3+9Al13Fe4+3.5AlB2）/Al复合材料在500℃的强度仍可达115 MPa。研究发现,（Al2O3+Al13Fe4+AlB2）/Al复合材料室温下为韧性断裂,Al2O3、Al13Fe4及AlB2粒子在铝基体中的分布搭配以及基体的晶粒细化显著提高了复合材料的强度。高温下材料的断裂为韧性-脆性混合断裂,微观断裂步骤包含孔洞的形核、生长和聚合。
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