原位TiB2颗粒增强喷射沉积Zn-Al合金的基础研究

In view of low strength at elevated temperature and poor heat resistance of Zn-Al alloy, it is worthful and very important to investigate TiB2 particulate-reinforced Zn-Al alloy processed by melt in situ reaction spray deposition. This project aims to research the effect of in situ reaction TiB2 particle on microstructure and properties of spray-deposited Zn-30Al-1Cu alloy through theoretical analysis and detailed experimentation. In situ reaction TiB2 particles dispersed in the matrix, and effectively prevents the movement of the dislocation, and improved mechanical properties of Zn-Al alloy. Moreover, in situ TiB2 particles at elevated temperatures display good thermal stability, thereby improving performance of the alloy at elevated temperature. The morphology，size and distribution of in situ TiB2 particles will be investigated by using scanning/transmission electron microscopy, X-ray diffraction technology. In situ TiB2 particles enhance strength of the alloy at elevated temperature, thermal stability and wear resistance. It could provide the experimental basis and theoretical evidence for strengthening mechanism and wear mechanism.

课题针对Zn-Al合金高温强度低，耐热性差的缺点，以TiB2颗粒增强Zn-30Al-1Cu合金为研究对象，将原位反应和喷射沉积二种工艺有机地结合起来，解决了常规复合材料制备中存在的颗粒基体浸润性差和基体组织粗大的问题。通过理论分析和系统试验，研究原位反应喷射沉积锌铝合金中原位颗粒对合金组织和性能的影响，确定原位颗粒抑制晶粒长大的机制和控制原理。原位TiB2颗粒弥散分布于合金基体上，有效地阻碍了位错的运动，提高了Zn-Al合金的强度；此外，原位TiB2颗粒在高温下具有良好的热稳定性，从而改善了合金的高温性能。采用高分辨电镜，分析型透射电镜，扫描电镜，X射线衍射等手段，观察和分析原位TiB2颗粒在合金基体上的形貌，尺寸和分布，研究原位TiB2颗粒提高材料高温强度、热稳定性和耐磨性的相关机理,对增强相与合金基体的界面结构、强化机制和磨损机理等基础性的科学问题给出合理的解释。

本研究将喷射沉积与原位反应相结合制备了锌基复合材料TiB2/Zn-30Al-1Cu。进行了热力学计算，确定了Al-Ti-B反应体系中各生成物的热力学稳定性。采用OM、SEM、TEM、XRD、DSC、硬度测试、室温拉伸测试、摩擦磨损测试等分析手段，研究了TiB2/Zn-30Al-1Cu复合材料铸态、沉积态、挤压态及热处理后的组织，并且对材料的性能进行了评价。沉积态组织主要由初生α′相，片层状、胞状及粒状α+η组织，以及近球形的TiB2颗粒组成。α′相中有较多黑色析出物，经衍射花样标定为η-Zn相，说明α′相有向α+η转变的趋势。在360℃进行不同时间的固溶处理，结果发现Zn-30Al-1Cu合金在加热10分钟后晶粒开始长大，而TiB2/Zn-30Al-1Cu复合材料由于TiB2颗粒的引入，组织稳定，加热20h后晶粒才开始长大。由于TiB2颗粒的引入，在热处理前后复合材料的硬度及强度均较Zn-30Al-1Cu有显著提高。经过固溶热处理的TiB2/Zn-30Al-1Cu复合材料抗拉强度最高可达450MPa，延伸率达到21.5%，具有优良的综合力学性能。对TiB2/Zn-30Al-1Cu、锡青铜、锡基巴氏合金、铅基巴氏合金四种材料在干摩擦条件下进行摩擦磨损实验，结果发现TiB2/Zn-30Al-1Cu复合材料的耐磨减磨性能略低于锡青铜，比锡基巴氏合金和铅基巴氏合金优越。