前言

由于体育器材的多元化和多功能化,体育器材材料的选择也变得复杂多样｡铝合金由于其密度低､比强度高､良好的机械加工性能和耐蚀性等优异性能,开始广泛运用于各类体育器材当中｡

然而铸造铝合金的缺点依然明显,为了满足更高的要求,人们对材料的制备进行了大量的研究,这些研究表明可以通过制备外加或原位自生颗粒增强金属基复合材料来实现抗拉强度､伸长率､硬度等性能的提升｡

长期以来,金属基复合材料因其优越的性能在结构工程材料中引起了广泛的关注｡金属基复合材料由金属基体和以颗粒､晶须或纤维形式的陶瓷增强体组成,是一种新兴的高性能复合材料｡

通过外加K2TiF6原位生成Al3Ti增强颗粒的方式,可避免通过直接外加增强颗粒的方式带来的缺陷,如与基体润湿性差等｡但还是存在颗粒粗大,增强颗粒团聚等问题,本文通过引入电磁搅拌技术和Sr变质处理方式制备铝基复合材料,研究了搅拌电流对复合材料微观组织和力学性能的影响,为制备体育器材用铝基复合材料提供依据｡

试验材料和方法

本试验采用的是ADC12铝合金,其化学成分如表1所示,其液相线温度为615℃,固相线温度为522℃｡首先将ADC12铝合金基体表面打磨去除氧化层,再将基体放入中频炉中加热至710℃,再将预先在200℃下加热了3 h的K2TiF6粉末加入到熔体中,保温30 min除气去渣,然后降温至680℃｡

待完全反应后,加入Al⁃5%Sr中间合金制备0.2%Sr(质量分数)变质铝基复合材料,同时进行电磁搅拌,电磁搅拌的时间为150 s,电磁搅拌频率是30 Hz,电磁搅拌电流分别是15､25､35､45 A｡为研究电磁搅拌和Sr变质对复合材料的影响,同时制备了未施加电磁搅拌和施加电磁搅拌Al3Ti颗粒增强铝基复合材料作为对比｡

电磁搅拌处理后,用石英滴管吸取部分半固态浆料,冷凝制成金相试样;其余部分浇注､冷却机械加工制成铝基复合材料拉伸试样,在WDW3100W万能试验机上进行拉伸试验｡将金相试样镶嵌制样,分别用400､800､1200､2000号的砂纸进行逐级打磨,抛光后用7.5%(体积分数)的HF溶液腐蚀表面｡用OLYMPUS GX5光学显微镜(OM)观察试样的微观组织,用自带能谱扫描仪(EDS)的VEGA3型扫描电镜(SEM)对试样的微观形貌进行观察和分析｡

电磁搅拌和Sr变质对铝基复合材料的影响

图1和图2分别是为未施加电磁搅拌､施加电磁搅拌和Sr变质并施加电磁搅拌Al3Ti颗粒增强铝基复合材料的微观组织OM图和SEM图｡对图2的点1､2､3进行能谱分析,结果如表2所示,可见其主要组成元素都是Al和Ti,推断出点1､点2和点3颗粒是Al3Ti,证明Al液与K2TiF6发生反应原位生成了Al3Ti增强颗粒,且从动力学分析,Al会与Ti反应优先生成具有正方晶格的Al3Ti相｡

未施加电磁搅拌处理时,试样的微观组织粗大,如图1(a)所示,α⁃Al尺寸较大,共晶Si相呈现为长针状,且有鱼骨状AlFeMnSi相存在｡施加电磁搅拌后,如图1(b)所示,α⁃Al尺寸变小,呈现为椭球状,共晶Si相呈现为短棒状,鱼骨状AlFeMnSi相也转变为短棒状｡

施加电磁搅拌后的Sr变质Al3Ti/ADC12铝基复合材料微观组织更加细化,如图1(c)所示,α⁃Al尺寸更小,呈椭球状｡从图2(a)未施加电磁搅拌的铝基复合材料SEM图中可看出,Al3Ti颗粒较为粗大,颗粒尺寸约为26μm,呈现为大块状和长条状,且出现了较为严重的团聚现象｡

图2(b)是施加搅拌后铝基复合材料的SEM图,明显看出Al3Ti的颗粒尺寸变小,约为15μm,呈现为细小的块状,Al3Ti分布也更为均匀,团聚现象明显得到改善｡从图2(c)可以看出,Sr变质并施加电磁搅拌后,Al3Ti/ADC12铝基复合材料的Al3Ti颗粒尺寸更小,尺寸约为10μm｡

由于(001)Al3Ti和(100)Al之间的错位度小于6%,极易成为α⁃Al的异质形核核心,且Sr的加入抑制了α⁃Al和Al3Ti的生长,α⁃Al和Al3Ti颗粒尺寸变小,细化了铝基复合材料的微观组织｡

电磁搅拌在熔体内产生剪切力,使粗大的颗粒被打碎,成为细小的Al3Ti颗粒,进一步细化了铝基复合材料组织｡电磁搅拌产生的涡流将细化后的Al3Ti颗粒分散,使其均匀分布在熔体中,起到了弥散强化的作用｡

搅拌电流对铝基复合材料微观组织的影响

图3是搅拌温度为610℃,电磁搅拌的时间为150 s,电磁搅拌频率是30 Hz,搅拌电流分别为15､25､35､45 A时Sr变质Al3Ti/ADC12铝基复合材料的微观组织｡从图3(a)可以看出,当搅拌电流为15 A时,铝基复合材料的微观组织晶粒尺寸较大,且有部分的α⁃Al呈现为蔷薇状的树枝晶,此时搅拌效果还较不明显,仍存在鱼骨状AlFeMnSi相｡

当搅拌电流增大到25 A时,铝基复合材料微观组织得到细化,如图3(b)所示,粗大的晶粒被打碎､断裂形成小的晶粒,分散在基体中,鱼骨状AlFeMnSi相被打碎,呈现为块状｡如图3(c)所示,当搅拌电流增大到35 A时,微观组织进一步细化,α⁃Al尺寸变小,蔷薇状的α⁃Al数量变少,形貌接近于球状,AlFeMnSi相被进一步细化成颗粒状,电磁搅拌产生高强度的摩擦､碰撞､剪切和对流,将枝晶打碎,降低了凝固前沿边界层的厚度｡

继续增大搅拌电流至45 A时,如图3(d)所示,α⁃Al尺寸变大,蔷薇状的α⁃Al基本消失,α⁃Al形貌呈现为椭球状,此时继续增大搅拌电流对晶粒的剪切作用增大并不明显,反而能量过剩导致熔体过热,使得晶粒生长区间较大,晶粒尺寸增大,部分AlFeMnSi相生长､粗化,呈现为大块状和长针状｡

当搅拌频率一定时,搅拌电流越大,产生的磁感应强度就越大,熔体受到的电磁搅拌力就越大,导致粗大的α⁃Al二次枝晶被剪切断裂,大块和长条状被打碎,并被电磁搅拌产生的熔体对流分散,均匀分布在熔体中｡

这说明电磁搅拌工艺在铝基复合材料中起到了弥散强化和细晶强化的作用｡进一步研究搅拌电流对Sr变质Al3Ti/ADC12铝基复合材料微观组织颗粒的细化作用,用IPP图像处理软件对α⁃Al尺寸和形状系数进行更直观地量化分析｡

分析结果如图4所示,随着搅拌电流的增大,α⁃Al尺寸先变小后变大,形状系数先变大后减小｡当施加的电磁搅拌电流较小时,电磁搅拌对铝基复合材料微观组织的细化作用不明显,此时只有部分的枝晶被打碎,晶粒尺寸减小,颗粒变圆整,形状系数变大｡当增大搅拌电流至35 A时,晶粒尺寸约为65μm,形状系数约为0.78｡此时搅拌力变大,被打碎的枝晶变多,使晶粒变得更圆整,分布更均匀｡

继续增大搅拌电流,α⁃Al尺寸反而增大,形状系数变小｡这进一步证明了电磁搅拌对铝基复合材料微观组织的影响巨大,适当的电磁搅拌电流对微观组织细化程度更明显,当搅拌电流过大时,能量过剩导致熔体过热,使得晶粒生长时间更长､尺寸更大｡

搅拌电流对铝基复合材料力学性能的影响

采用不同的搅拌电流制备的Sr变质Al3Ti/ADC12铝基复合材料的力学性能如表3所示｡铝基复合材料的孔隙率在施加电磁搅拌和Sr变质处理后均得到不同程度的降低,说明电磁搅拌和Sr变质处理后铝基复合材料组织更加致密,搅拌电流为35 A时,Sr变质Al3Ti/ADC12铝基复合材料孔隙率最小低至0.31%,比基体降低了13.9%,组织细化程度最明显｡

铝基复合材料的抗拉强度和伸长率在施加电磁搅拌和Sr变质处理后均增大,这就说明施加电磁搅拌和Sr变质处理可提升Al3Ti/ADC12铝基复合材料的力学性能,随着搅拌电流的增大先增大后略有减小,当搅拌电流达到35 A时,抗拉强度和伸长率达到最大,分别为315.7 MPa和3.32%,相对于ADC12铝合金基体分别提高了24.1%和22.1%｡Sr变质Al3Ti/ADC12铝基复合材料力学性能的提升来源于Sr变质作用､Al3Ti的异质形核作用､电磁搅拌工艺的弥散强化和细晶强化作用｡

图5是不同处理方式制备的铝基复合材料拉伸断口SEM形貌,均出现撕裂棱､解理面和不同数量的韧窝,表现为脆韧性混合断裂｡未施加搅拌的铝基复合材料的拉伸断口SEM形貌如图5(a)所示,断口形貌中出现不规则脆性平坦解理面,撕裂棱粗大且较长,韧窝较少,塑性较差,复合材料以脆性断裂为主,有少量韧性断裂｡

这主要是由于未施加搅拌的铝基复合材料Al3Ti增强相粗大､易聚集,在外力作用下容易产生裂纹并扩展｡施加搅拌后铝基复合材料的拉伸断口形貌如图5(b)所示,解理面减少,撕裂棱变短,浅韧窝增多｡施加35 A电磁搅拌后,Al3Ti增强相细小,均匀分布,断裂风险降低｡

Sr变质并施加搅拌后的铝基复合材料拉伸断口形貌如图5(c)所示,大量细小均匀的韧窝出现,撕裂棱更短,塑性增强,复合材料以韧性断裂为主｡Sr变质并施加搅拌后,复合材料中的Al3Ti增强相分布更均匀,复合材料在外力作用下容易产生位错塞积,在界面产生微孔进而形成大量细小的韧窝｡

结语

综上所述,电磁搅拌和Sr变质对铝基复合材料的微观组织有着显著改善作用,可细化α⁃Al､共晶Si相､AlFeMnSi相和Al3Ti颗粒,大幅度降低孔隙率,提高力学性能｡

施加电磁搅拌后,熔体内产生对流,使得粗大的晶粒之间产生频繁的碰撞､摩擦和剪切,粗大的α⁃Al相､长针状共晶Si相､鱼骨状AlFeMnSi相和Al3Ti颗粒被击碎,并随着强对流而被均匀分散在熔体内,搅拌电流越大,产生的电磁搅拌力越大,复合材料的微观组织越细小,但当搅拌电流过大时,电磁搅拌的有效剪切作用较小,对其微观组织没有明显的改善｡

当对铝基复合材料进行Sr变质时,Sr可抑制形核,降低固液界面的自由能,Sr的加入降低了共晶温度,导致微观组织被细化,α⁃Al､共晶Si相､AlFeMnSi相和Al3Ti颗粒的形貌变得更圆整｡

根据Hall⁃Petch关系,细小圆整的晶粒有助于提高材料的强度,低孔隙率的微观结构有利于提高材料的强度和延展性｡因此,对Al3Ti/ADC12铝基复合材料施加电磁搅拌并进行Sr变质处理后,复合材料的微观组织细化明显,力学性能提升显著｡

利用电磁搅拌工艺原位反应可制备晶粒圆整､均匀分布的体育器材用Sr变质Al3Ti/ADC12铝基复合材料,α⁃Al颗粒细小圆整,Al3Ti增强颗粒细小分布均匀,未出现团聚现象,Al3Ti增强颗粒尺寸由26μm减小到10μm,形貌由粗大的块状和长条状变为短棒状｡

随着搅拌电流的增大,铝基复合材料微观组织明显得到细化,α⁃Al尺寸变小､变圆整,蔷薇状α⁃Al逐渐减少,近球状α⁃Al增多｡相比于基体,铝基复合材料的力学性能大幅度提升,抗拉强度和伸长率随着搅拌电流的增大先增大后略有减小,孔隙率随着搅拌电流的增大先减小后略有增大｡当搅拌电流为35 A时,抗拉强度和伸长率达到最大值,分别为315.7 MPa和3.32%,孔隙率达到最小值,为0.31%｡