DOL:10.13374/.issn1001-053x.2012.05.004 第34卷第5期 北京科技大学学报 Vol.34 No.5 2012年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2012 微纳米ZrB2p/Al复合材料的原位合成机制和组织 特征 李桂荣”张勋寅”王宏明”赵玉涛”陈刚” 张 钊2) 1)江苏大学材料科学与工程学院，镇江2120132)江苏中欧材料研究院有限公司，镇江212009 马通信作者，E-mail:whmlgr@ujs.edu.cm 摘要采用A一KBF:一K,ZF。组元通过熔体直接反应法制备了ZB,颗粒增强铝基复合材料，优化的初始合成温度范围为 850-870℃，反应时间为25~30min.扫描电镜观察结果显示：ZrB2颗粒尺寸为300~400nm,颗粒间距200nm左右，有团簇现 象，团簇体尺寸为30~40um.当颗粒理论体积分数为3%时，单位熔体体积内ZB2颗粒形核数量为6.68×10”m3,平均线 长大速率为47.3ms.分析团簇原因认为：大量细小高熔点ZB,增加了熔体黏度，颗粒扩散阻力大，限制了颗粒迁移位移： ZB,颗粒因密度大具有较高的沉降速率.原位反应过程分析表明：通过A灿，Z一AB,间的分子化合及☑)一B]间的原子化合 得到ZB,颗粒，是高温稳定相 关键词金属基复合材料：铝：硼化锆：纳米颗粒：微观结构 分类号TB333:TG146.21 In situ fabrication and microstructure of micro-nano ZrB2/Al composites lGi-ong》,ZHANG Xun-yin》,WANG Hong-ming》s,ZHA0 Yu-tao》,CHEN Gang》,ZHANG Zhao2 1)School of Materials Science Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China 2)Jiangsu Central European Material Research Institute,Zhenjiang 212009,China Corresponding author,E-mail:whmlgr@ujs.edu.cn ABSTRACT Aluminum matrix composites reinforced by ZrB,particles were fabricated with Al-KBFKZrF components via a melt direct reaction method.The suitable synthesizing temperature and reaction time are 850 to 870C and 25 to 30min,respectively.Scan- ning electron microscopy observations indicate that the size of the particles is 300 to 400 nm and the interval between them is about 200 nm.Some of the particles stick together,leading to clusters with a size of 30 to 40 um.When the theoretical volume fraction of the particles is 3%,the nucleation amount is 6.68 x10m,and the average linear growth velocity is 47.3nms.The reason for clustering is that abundant fine and infusible ZrB2 particles increase the viscosity of the composite melt.High diffusion resistance prohibits the particles from migrating.Thus the particles have higher density and sedimentation velocity,which make them cluster easily.In situ reaction analysis shows that the particles can be obtained by molecular combination between Al,Zr and AlB,or atomic combination between Zr and B atoms,and they are stable at high temperature KEY WORDS metallic matrix composites:aluminum:zirconium boride:nanoparticles:microstructure 颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度、比 料有着界面清洁、合成工艺简单易操作以及复合材 刚度、低的热膨胀系数、耐磨性好和成本低等特点，料力学性能高等优点而备受关注.近年来合成的内 近年来正在快速发展，并向实用化和商业化方向发 生硬质增强颗粒相主要有Al2O3、TiB2、TiC、TiA3、 展，其中原位合成内生颗粒增强的铝基复合材 ZAL,和AN等-0.在诸多颗粒种类中，硼化物 收稿日期：201103-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51001054：50971066)：江苏省自然科学基金资助项目(BK2011533):中国博士后科学基金资助项目 (20100471382):江苏省博士后科研资助项目(1001023C):江苏省科技支撑项目(B2009127):江苏省“333工程”培养资助项目：江苏省产学研 联合创新资金项目(BY201013):中国科学院低温工程学重点实验室开放课题(CRY0201106)第 34 卷 第 5 期 2012 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 5 May 2012 微纳 米 ZrB2p /Al 复合材料的原位合成机制和组织 特征 李桂荣1) 张勋寅1) 王宏明1) 赵玉涛1) 陈 刚1) 张 钊2) 1) 江苏大学材料科学与工程学院，镇江 212013 2) 江苏中欧材料研究院有限公司，镇江 212009 通信作者，E-mail: whmlgr@ ujs． edu． cn 摘 要 采用 Al--KBF4 --K2ZrF6 组元通过熔体直接反应法制备了 ZrB2 颗粒增强铝基复合材料，优化的初始合成温度范围为 850 ～ 870 ℃，反应时间为 25 ～ 30 min． 扫描电镜观察结果显示: ZrB2 颗粒尺寸为 300 ～ 400 nm，颗粒间距 200 nm 左右，有团簇现 象，团簇体尺寸为 30 ～ 40 μm． 当颗粒理论体积分数为 3% 时，单位熔体体积内 ZrB2 颗粒形核数量为 6. 68 × 1017 m － 3 ，平均线 长大速率为 47. 3 nm·s － 1 ． 分析团簇原因认为: 大量细小高熔点 ZrB2 增加了熔体黏度，颗粒扩散阻力大，限制了颗粒迁移位移; ZrB2 颗粒因密度大具有较高的沉降速率． 原位反应过程分析表明: 通过 Al3Zr--AlB2 间的分子化合及［Zr］--［B］间的原子化合 得到 ZrB2 颗粒，是高温稳定相． 关键词 金属基复合材料; 铝; 硼化锆; 纳米颗粒; 微观结构 分类号 TB333; TG146. 2 + 1 In situ fabrication and microstructure of micro-nano ZrB2p /Al composites LI Gui-rong1) ，ZHANG Xun-yin1) ，WANG Hong-ming1) ，ZHAO Yu-tao 1) ，CHEN Gang1) ，ZHANG Zhao 2) 1) School of Materials Science ＆ Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China 2) Jiangsu Central European Material Research Institute，Zhenjiang 212009，China Corresponding author，E-mail: whmlgr@ ujs． edu． cn ABSTRACT Aluminum matrix composites reinforced by ZrB2 particles were fabricated with Al-KBF4-K2ZrF6 components via a melt direct reaction method． The suitable synthesizing temperature and reaction time are 850 to 870 ℃ and 25 to 30 min，respectively． Scan￾ning electron microscopy observations indicate that the size of the particles is 300 to 400 nm and the interval between them is about 200 nm． Some of the particles stick together，leading to clusters with a size of 30 to 40 μm． When the theoretical volume fraction of the particles is 3% ，the nucleation amount is 6. 68 × 1017 m － 3 ，and the average linear growth velocity is 47. 3 nm·s － 1 ． The reason for clustering is that abundant fine and infusible ZrB2 particles increase the viscosity of the composite melt． High diffusion resistance prohibits the particles from migrating． Thus the particles have higher density and sedimentation velocity，which make them cluster easily． In situ reaction analysis shows that the particles can be obtained by molecular combination between Al3Zr and AlB2 or atomic combination between Zr and B atoms，and they are stable at high temperature． KEY WORDS metallic matrix composites; aluminum; zirconium boride; nanoparticles; microstructure 收稿日期: 2011--03--20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51001054; 50971066) ; 江苏省自然科学基金资助项目( BK2011533) ; 中国博士后科学基金资助项目 ( 20100471382) ; 江苏省博士后科研资助项目( 1001023C) ; 江苏省科技支撑项目( BE2009127) ; 江苏省“333 工程”培养资助项目; 江苏省产学研 联合创新资金项目( BY201013) ; 中国科学院低温工程学重点实验室开放课题( CRYO201106) 颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度、比 刚度、低的热膨胀系数、耐磨性好和成本低等特点， 近年来正在快速发展，并向实用化和商业化方向发 展［1--5］，其中原位合成内生颗粒增强的铝基复合材 料有着界面清洁、合成工艺简单易操作以及复合材 料力学性能高等优点而备受关注． 近年来合成的内 生硬质增强颗粒相主要有 Al2O3、TiB2、TiC、TiAl3、 ZrAl3 和 AlN 等［6--10］． 在诸多颗粒种类中，硼化物 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.05.004