·804 北京科技大学学报 第36卷 体系自蔓延反应本身来改善反应生成产物和复合材 六氯乙烷精炼除气，在温度降至650℃时用钢模浇 料的组织性能方面的研究却鲜见报导. 铸，完成铝基复合材料的制备 本文结合TiC-Al和CuO一Al两个原位反应体 选用三酸水溶液(HN032.5%,HC11.5%,HF 系的特点，在TC-Al原位反应体系中加入一定量 1%,H,095%,体积分数)对常规磨制后的试样进 CO,也即将上述两种体系合并为一个体系，在铝合 行20~25s的腐蚀，采用蔡司光学显微镜和扫描电 金熔体中使其发生原位反应，随后在接近铝合金液 镜观察其显微组织，采用Japan Rigaku X射线衍射 相线温度进行浇注，制备铝基复合材料.笔者深入 仪对打磨光滑的铸件进行X射线衍射分析. 分析CuO对Ti-C-Al体系的自蔓延反应过程的作 2实验结果 用机理，对比TiC-Al和TiC一ACu0两种体系的 反应产物对复合材料的晶粒组织的影响，对T一C一 图1为铝基复合材料的X射线衍结果.从图1 Al和CuO一Al体系进行了热力学分析、热效应和自 (a)可以看出，TiC-Al体系的反应产物含有TiC和 蔓延反应的绝热温度计算，建立了TiC-AlCu0反 A山Ti两种生成相：图1(b)表明TiC一ACu0体系 应体系反应过程的动力学模型. 的反应只含有一种生成相即TC,并且图1(b)中 TiC的波峰要比图1(a)中TiC的波峰高.从衍射结 1 实验方法 果来看，初步分析认为图1(b)TC生成量要比图1 设计Ti-C-Al和Ti-C-Al-CuO两种反应体系 (a)的TiC生成量高，并且没有中间相A山，Ti生成或 原位生成的TC颗粒均占整个复合材料的5%（质 仅有极少量的A山Ti生成，说明图1(b)自蔓延反应 量分数)，两体系的Ti、C和Al摩尔比为1：1.2：1， 比图1(a)的自蔓延效果好，因此可以初步认为加入 TiC-AlCu0反应体系加入Cu0占预制块的l0% 适量的CuO有利于促进增强相TiC的生成，促进 (质量分数)，除此之外两体系其他制备工艺完全相 TC-Al体系自蔓延反应更加完全.同时，从图1 同.过程如下：(1)将Ti(<50um)、C(<50um)和 (b)中并未发现AL,O3以及其他可能生成相的衍射 Al(<75μm),或者Ti(<50μm)、C(<50μm)、Al 峰，分析认为这是由于CuO的含量很少，其反应生 (<75um)和Cu0(<50m)粉末用混粉机干磨1h 成物的含量在复合材料中所占比例过小造成的. 充分混合，然后把粉末用压片机在60MPa压力下压 图2即为采用原位反应近液相线铸造铝基复合 制成Φ20mm×15mm的预制块备用；(2)把盛有 材料的铸态组织.原位反应近液相线铸造技术是在 7075A1合金基体的石墨坩埚放入7500W的电炉 液相线铸造和近液相线铸造基础上发展起来的一种 中，熔融Al合金块并升温至900℃，同时把预制块 半固态坯料制备方法网.液相线铸造方法作为一 在150℃预热1h;(3)用石墨钟罩把预制块完全浸 种半固态坯料制备技术能够在合金的凝固过程中形 入到A!合金溶液中，利用合金基体提供的初始能量 成等轴晶组织，同时具有工艺简单、适用合金范围 使得预制块在合金熔体内进行自蔓延反应，反应结 宽、生产效率高等优点，但存在难以控制浇铸温度的 束后用石墨棒搅拌并保温50min,然后降温至750℃用 缺点. 近液相线铸造法虽然克服了液相线铸造 20000, 16000 (a) (b) ，TiC Tic y ALTi 16000 ■AL ■AI 12000 12000 8000 8000F 4000 4000 0 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 70 201 20/ 图1不同反应体系下铝基复合材料的X射线衍射图谱.(a)Ti-C-A:(b)Ti-C-A-CO Fig.1 X-ray patterns of Al matrix composites in different reaction systems:(a)Ti-C-Al;(b)Ti-C-Al-CuO北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 体系自蔓延反应本身来改善反应生成产物和复合材 料的组织性能方面的研究却鲜见报导． 本文结合 Ti--C--Al 和 CuO--Al 两个原位反应体 系的特点，在 Ti--C--Al 原位反应体系中加入一定量 CuO，也即将上述两种体系合并为一个体系，在铝合 金熔体中使其发生原位反应，随后在接近铝合金液 相线温度进行浇注，制备铝基复合材料． 笔者深入 分析 CuO 对 Ti--C--Al 体系的自蔓延反应过程的作 用机理，对比 Ti--C--Al 和 Ti--C--Al--CuO 两种体系的 反应产物对复合材料的晶粒组织的影响，对 Ti--C-- Al 和 CuO--Al 体系进行了热力学分析、热效应和自 蔓延反应的绝热温度计算，建立了 Ti--C--Al--CuO 反 应体系反应过程的动力学模型． 1 实验方法 设计 Ti--C--Al 和 Ti--C--Al--CuO 两种反应体系 原位生成的 TiC 颗粒均占整个复合材料的 5% ( 质 量分数) ，两体系的 Ti、C 和 Al 摩尔比为 1∶ 1. 2∶ 1， Ti--C--Al--CuO 反应体系加入 CuO 占预制块的 10% ( 质量分数) ，除此之外两体系其他制备工艺完全相 图 1 不同反应体系下铝基复合材料的 X 射线衍射图谱． ( a) Ti--C--Al; ( b) Ti--C--Al--CuO Fig． 1 X-ray patterns of Al matrix composites in different reaction systems: ( a) Ti-C-Al; ( b) Ti-C-Al-CuO 同． 过程如下: ( 1) 将 Ti( ＜ 50 μm) 、C( ＜ 50 μm) 和 Al( ＜ 75 μm) ，或者 Ti( ＜ 50 μm) 、C( ＜ 50 μm) 、Al ( ＜ 75 μm) 和 CuO( ＜ 50 μm) 粉末用混粉机干磨 1 h 充分混合，然后把粉末用压片机在 60 MPa 压力下压 制成 20 mm × 15 mm 的预制块备用; ( 2) 把盛有 7075Al 合金基体的石墨坩埚放入 7500 W 的电炉 中，熔融 Al 合金块并升温至 900 ℃，同时把预制块 在 150 ℃预热 1 h; ( 3) 用石墨钟罩把预制块完全浸 入到 Al 合金溶液中，利用合金基体提供的初始能量 使得预制块在合金熔体内进行自蔓延反应，反应结 束后用石墨棒搅拌并保温50 min，然后降温至 750 ℃用 六氯乙烷精炼除气，在温度降至 650 ℃ 时用钢模浇 铸，完成铝基复合材料的制备． 选用三酸水溶液( HNO3 2. 5% ，HCl 1. 5% ，HF 1% ，H2O 95% ，体积分数) 对常规磨制后的试样进 行 20 ～ 25 s 的腐蚀，采用蔡司光学显微镜和扫描电 镜观察其显微组织，采用 Japan Ｒigaku X 射线衍射 仪对打磨光滑的铸件进行 X 射线衍射分析． 2 实验结果 图 1 为铝基复合材料的 X 射线衍结果． 从图 1 ( a) 可以看出，Ti--C--Al 体系的反应产物含有 TiC 和 Al3Ti 两种生成相; 图 1( b) 表明 Ti--C--Al--CuO 体系 的反应只含有一种生成相即 TiC，并且图 1 ( b) 中 TiC 的波峰要比图 1( a) 中 TiC 的波峰高． 从衍射结 果来看，初步分析认为图 1( b) TiC 生成量要比图 1 ( a) 的 TiC 生成量高，并且没有中间相 Al3Ti 生成或 仅有极少量的 Al3Ti 生成，说明图 1( b) 自蔓延反应 比图 1( a) 的自蔓延效果好，因此可以初步认为加入 适量的 CuO 有利于促进增强相 TiC 的生成，促进 Ti--C--Al 体系自蔓延反应更加完全． 同时，从图 1 ( b) 中并未发现 Al2O3以及其他可能生成相的衍射 峰，分析认为这是由于 CuO 的含量很少，其反应生 成物的含量在复合材料中所占比例过小造成的． 图 2 即为采用原位反应近液相线铸造铝基复合 材料的铸态组织． 原位反应近液相线铸造技术是在 液相线铸造和近液相线铸造基础上发展起来的一种 半固态坯料制备方法［17］． 液相线铸造方法作为一 种半固态坯料制备技术能够在合金的凝固过程中形 成等轴晶组织，同时具有工艺简单、适用合金范围 宽、生产效率高等优点，但存在难以控制浇铸温度的 缺点［18］． 近液相线铸造法虽然克服了液相线铸造 ·804·