粉末触变成形制备Ti@Al3Ti芯-壳结构粒子增强铝基自生复合材料的研究

To overcome the poor toughness of the particle reinforced Al-based composites and the shortcomings of the corresponding fabrication techniques, this project proposes a new Al based in situ composite that takes the Ti@Al3Ti core-shell structured particles (Ti@Al3Tip) as reinforcement. And combining the advantages of both powder metallurgy and thixoforming techniques, a new technology that can prepare and form the Ti@Al3Tip/Al based in situ composite is then proposed. The aim of this project is to verify the scientific problems related to fabricate this composite using this technology: during partial remelting of the specimen pressed by Al alloy powder and pure Ti powder, the thermodynamics and kinetics about the formation mechanisms of the Ti@Al3Tip, their microstructure, the influence factors on their microstructure and the corresponding controlling mechanisms; the evolution process of the semisolid microstructure and the effect of the reaction formation of Ti@Al3Tip on the semisolid microstructure; the relations and relation mechanisms between the microstructure of the thixoformed composite, especially the microstructure of the Ti@Al3Tip and the mechanical properties. A solid theoretical foundation will be established for fabrication of the Ti@Al3Tip/Al matrix composite by using this technology.

为了克服粒子增强Al基复合材料韧性差与制备技术方面的缺点, 本申请提出了用芯-壳结构的Ti@Al3Ti颗粒（Ti@Al3Tip）作为增强体粒子的新型Al基自生复合材料,并综合粉末冶金和触变成形技术的优点，提出了一种集制备、成形Ti@Al3Tip/Al基自生复合材料于一体的新技术―粉末触变成形，旨在澄清用该技术制备该复合材料过程中所涉及的关键科学问题：Al合金和纯Ti混合粉末压块在部分重熔过程中，与Ti@Al3Tip的反应形成机理、结构特征及其影响因素、调控机制等有关的热力学、动力学问题；半固态组织的演变规律及Ti@Al3Tip的反应生成对半固态组织的影响；触变成形材料的微观组织，尤其是Ti@Al3Tip的微观结构与力学性能间的关系及关联本质，为该技术制备新型Ti@Al3Tip/Al基复合材料奠定扎实的理论基础。

本项目针对粉末触变成形制备Ti@Al3Ti芯-壳结构粒子增强铝基自生复合材料的微观组织和力学性能进行研究，主要研究：①Ti@Al3Tip的原位反应形成机理、结构特征及其调控机制等的热力学和动力学；②具有细晶组织的Al合金粉末和Ti粉末混合压块在部分重熔过程中的半固态组织的演变规律与机理；③Ti@Al3Tip的微观结构与触变成形材料力学性能间的关系和关联本质。而实际的研究内容和主要结果包括:①通过Miedema和JMatPro热力学分析表明，Si元素参与Ti粉和Al液间的反应，促进Al-Ti-Si三元化合物的形成，而Cu, Mg和Zn则不参与反应，但不同程度地促进Al3Ti相的形成；②四种合金元素（Si, Cu, Mg和Zn）中，仅有Si元素会进入反应层并且对反应层中的物相产生影响，其他合金元素不会引起反应层物相的变化，反应壳层产物均为Al3Ti相；③Al/Ti反应生成的金属间化合物的生长为界面控制的线性生长方式且生长呈液相/化合物、化合物/Ti双向生长，生长活化能为374 kJ/mol；④Ti-Al-2024Al混合粉末压块在不同部分重熔时间下的组织演变可以分为四个阶段：1）不规则共晶组织的溶解导致的粉末内部晶粒的快速粗化（0~5min）；2）球状初生相颗粒的形成和试样温度的上升和小尺寸粉末的部分熔化导致的颗粒间的液相薄膜的形成（5min~15min）；3）液相率的增加和为了减小固液界面能而发生的初生相颗粒的轻微粗化（15min~25min）；4）初生相颗粒的缓慢粗化（25min~）；⑤在600℃经过50 min重熔后，以Ti@(Al-Si-Ti)芯-壳结构粒子作为增强体的复合材料拥有最好的综合力学性能，抗拉强度，屈服强度和延伸率分别为：373 MPa, 268 MPa，8.3 %，与180min的以单一的Al3Ti粒子作为增强体的复合材料相比，其抗拉强度和屈服强度仅分别降低了2.1% 和3.5%，但是延伸率提高了167.8%；⑥强化机制主要包括载荷传递、细晶强化、几何位错强化、热错配强化以及固溶强化，其中壳层厚度在强化的过程中起到了非常重要的作用；⑦韧化来自球形形状和壳层中的纳米粒子延缓裂纹形成，以及壳层中的纳米粒子和Ti芯中的塑性变形、二次裂纹萌生及相变阻碍裂纹扩展。可见，从研究内容上，已经超额完成了本项目的预定任务。