TiB2/ZL205A复合材料热裂倾向性与改善机理研究

TiB2 particles reinforced ZL205A matrix composites attract more attention due to their excellent strength and toughness. However, the severe hot tearing susceptibility, caused by the intrinsic properties of the ZL205A matrix alloy, restricted the development of the composites. The present work will study the hot tearing mechanism and the improvement of yttrium on the hot tearing susceptibility of the composites. The research proposes four scientific topics. Firstly, the research will study the relationship between the grain size and hot tearing susceptibility of composites, the reason why grain size varies with the content of TiB2, and the mechanism of yttrium promoting grain refinement again. Secondly, the research will discuss the effect of solidification temperature range on the hot tearing. The study is planning to analysis the thermodynamic change mechanism of the solidification temperature range. How the solidification temperature range affects the shrinkage stress and strain is going to be revealed. Thirdly, the study aims to explain the mechanism that the TiB2 particles affect the hot tearing. Finally, the study will reveal the significant effect of microstructure, including the grain boundary phases and TiB2 particles, on the hot tearing of composites. Furthermore, the research will observe the particles movement behavior during the solidification process via laser scanning con-focal microscope. Through the above researches, the hot tearing improved measures will be proposed, which paly crucial roles in the composites development.

TiB2/ZL205A复合材料表现出优良的强韧性能，然而，基体合金的本征特性决定了其在凝固过程中存在严重的热裂倾向性，制约了复合材料的发展应用。本项目通过添加稀土钇对其热裂倾向性进行改善，主要研究复合材料的热裂倾向性及其改善机理。提出四个科学问题：（1）复合材料晶粒度与热裂倾向性的关系。研究晶粒度随增强相含量变化的原因，添加钇促进晶粒再次细化的科学本质。（2）凝固结晶温度区间影响热裂倾向性的机制。分析复合材料凝固结晶温度区间改变的热力学机理，解释凝固结晶温度区间影响收缩应力应变的本质原因。（3）TiB2颗粒及其团聚体对热裂倾向性的影响机理。（4）微观组织对热裂纹形成过程的影响。采用原位观察研究微观组织中各相与热裂纹的关系，增强相颗粒及其团聚体在凝固过程中的运动行为对热裂倾向性的影响。通过上述热裂倾向性机理研究为改善复合材料热裂倾向性提供重要的科学依据，也为复合材料发展起到重要的推动作用。

TiB2/ZL205A复合材料具有良好的力学性能和重要的应用价值，然而，基体ZL205A属于Al-5Cu系合金，在铸造过程中产生较大的凝固收缩，导致复合材料出现严重的热裂缺陷。本项目研究复合材料的热裂机理，并通过添加稀土钇改善其热裂倾向性。预定研究内容主要包括：①复合材料晶粒细化的机理，晶粒度对热裂倾向性的影响；②凝固结晶温度区间变化的原因，及其与热裂倾向性的关系；③TiB2颗粒及其团聚体尺寸对热裂倾向性的影响；④微观组织中晶界相、增强相与热裂纹的关系。. 研究发现TiB2增强相质量分数小于4%时，复合材料的热裂倾向性值小于基体合金，继续增加增强相含量，导致复合材料热裂倾向值增大，产生严重的热裂缺陷。晶粒度研究表明，TiB2提供晶粒形核核心，溶质元素提供晶粒长大限制作用，共同促进晶粒细化；凝固结晶温度区间研究表明，随着增强相含量增加，复合材料凝固结晶温度区间呈现先减小后增大的规律；微观组织研究表明，均匀分布的Al2Cu和TiB2阻碍热裂纹扩展，然而，增强相含量大于3%时，容易形成较大尺寸的TiB2颗粒团聚体，加剧了热裂倾向。通过添加钇改善6TiB2/ZL205A的严重热裂倾向性研究表明，钇促进晶粒再次细化；促进形成Al8Cu4Y新相，使得凝固结晶温度区间减小；钇改善了微观组织均匀性，使得TiB2团聚体消失。因此，晶粒细化、凝固结晶温度区间减小、微观组织均匀分布都有利于改善复合材料的热裂倾向性。. 此外，本项目研究发现稀土铈也有助于改善复合材料的热裂倾向性，项目还对Y2O3/ZL205A复合材料的热裂倾向性进行了研究，对复合材料良好的高温拉伸力学性能及其机理进行了探索。. 通过本项目研究，明确了产生热裂的机理，揭示了影响热裂倾向性的关键因素，提出了改善热裂倾向性的有效措施，为科学研究提供重要的理论基础，为工程应用提供重要的技术指导，项目研究所取得的成果具有重要的科学意义和应用价值。