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原位制备颗粒增强铝基复合材料是复合材料研究领域的重点,如何选择并优化体系,控制颗粒增强相在基体中的形貌和分布特征对促进复合材料的发展非常关键。本文开发了铝基原位复合材料的合成新体系Al-Zr-B2O3和Al-Na2B4O7-K2ZrF6,采用熔体反应合成法,成功制备了Al3Zr、ZrB2和Al2O3颗粒增强新型铝基复合材料。利用DSC、OM、XRD、SEM、TEM等现代分析测试方法,分析了复合材料的相组成、凝固组织、内生颗粒的特征与界面结构；研究了超声场下Al-Na3B4O7-K2ZrF6体系原位反应合成复合材料的相关作用机制；通过复合材料的室温拉伸试验,分析了复合材料的断裂机理。
试验结果表明,Al-Zr-B2O3体系在铝合金熔炼温度(600-1000℃)范围内,原位反应生成了Al3Zr、ZrB2和Al2O3颗粒增强相。Al3Zr颗粒尺寸约为3～5μm,呈长条状或棒状；Al2O3颗粒尺寸细小,约为0.1μm,分布均匀；ZrB2颗粒形成温度较高,达857.7℃,且团聚倾向严重,尺寸在0.3～0.6μm之间。
Al-Na2B4O7-K2ZrF6体系熔体原位反应生成了Al2O3颗粒增强相。复合材料SEM结果表明,Al2O3颗粒尺寸细小,约为20～100 nm。超声场作用下复合材料中内生Al2O3颗粒分散度得到改善,数目增多。在一定的超声功率条件下(0.60kW),1～3 min超声作用时间范围内,随着超声作用时间的增加,内生颗粒的数量先增大后减小,最佳超声作用时间为2 min,此时内生颗粒体积分数最高。在一定的超声作用时间下(2min),Al2O3(np)／Al复合材料随着超声功率的增加,内生颗粒的体积分数先增大后减小,当超声功率为0.60 kW时,内生颗粒体积分数最高,分布最均匀。
经透射电镜TEM研究进一步表明,Al-Na2B4O7-K2ZrF6体系复合材料中生成了γ-Al2O3增强相,颗粒呈近球形,尺寸约为20-100nm。复合材料中存在γ-Al2O3(040)／／Al(200),两者错配度仅为0.8％,界面保持共格关系,结合良好,Al基体能依附于γ-Al2O3颗粒上结晶并长大。熔体原位生成的Al2O3(np)／Al复合材料中的位错密度远高于纯铝基体中的位错密度,且位错呈不规则分布。
力学性能试验表明,原位反应合成Al2O3(np)／Al复合材料的硬度值为40.0HV,较纯铝的提高了30.7％,施加超声场后,复合材料的硬度值为58.4 HV,较未施加超声场时复合材料的硬度值提高了46.0％。超声场作用下Al-Na2B4O7-K2ZrF6体系熔体原位合成的复合材料的抗拉强度σb和延伸率δ都得到了显著的提高。当超声作用时间为2min,超声功率为0.60 kW时,复合材料的抗拉强度σb和延伸率δ均达到最大,分别为116.0 MPa和21.8％,较未施加超声作用时复合材料的性能分别提高了52.6％与18.6％,室温拉伸断口形貌表明,复合材料的断裂方式为部分韧窝+部分准解理的混合型断裂,表现为塑性断裂。复合材料的强化机制主要由细晶强化、Orowan强化和位错强化构成,且Orowan强化作用最为显著。