引言

       金屬基復(fù)合材料由于其優(yōu)越的硬度、耐磨性和承重性等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在航空航天、軍事防衛(wèi)和汽車制造等行業(yè)。一些研究將SiC，AL2O3和B4C等陶瓷微粒加入鋁基體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，尤為SiC與鋁的化學(xué)兼容性好，能跟基體穩(wěn)定鍵和且不會(huì)形成金屬間相，同時(shí)還具備良好的熱導(dǎo)性能和機(jī)械性能，成本低。AL2O3 也用于高強(qiáng)度耐磨工程材料的研制，但它與鋁的潤濕性差，重量百分比稍有偏差就容易導(dǎo)致孔隙率過大。
       本實(shí)驗(yàn)研究了TiB2對(duì)金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)效果。TiB2的熔點(diǎn)高達(dá)2790℃，硬度高達(dá)86HRA，彈性系數(shù)為530×103Gpa, 熱穩(wěn)定性好。TiB2陶瓷微粒不與熔融鋁發(fā)生反應(yīng)，從而不會(huì)在基體增強(qiáng)面形成脆性反應(yīng)產(chǎn)物。而加入了TiB2的鋁材料，其耐磨性能也得到了提高。

       實(shí)驗(yàn)

       篩選25mm的SiC做實(shí)驗(yàn)組1用，10mm的TiB2做實(shí)驗(yàn)組2用，金屬基體相為Al（6061 T6）。SiC/TiB2和金屬基體相的重量百分比為10%。實(shí)驗(yàn)組1中，1000℃下對(duì)SiC進(jìn)行2小時(shí)預(yù)熱以剔除氫氧化物及其他氣體。熔爐溫度升至750℃將基體融化，然后添加預(yù)熱好的SiC和2g 鎂（增加其可濕性）。攪拌15分鐘，速度為350rpm。最后將熔融金屬倒入模具中。實(shí)驗(yàn)組2中TiB2預(yù)熱至200℃，其他步驟同上。試樣長300mm直徑50mm，不同形態(tài)的試樣在光學(xué)顯微鏡下觀察。實(shí)驗(yàn)用維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，按照每壓痕間隔0.5mm的標(biāo)準(zhǔn)距離用金剛石壓頭測(cè)量十次，持續(xù)時(shí)間10秒，硬度200gf。 INSTRON拉力測(cè)試儀進(jìn)行拉力試驗(yàn)。按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)用電火花線切割機(jī)床對(duì)試樣進(jìn)行切割。用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，銷針用低碳鋼材料做成，載荷分別為50N和70N。銷針在試樣表面游走總程為720m。加工Al-SiC-TiB2的刀頭為TiN-TiCN-Al2O3-TiN涂附刀頭，ISO編碼為CNMG120408-FR-TN8135。

       結(jié)果與討論

       1. 微結(jié)構(gòu)分析
       圖一是Al/SiC-10%/TiB2-0%,Al/SiC-10%/TiB2-2.5% 和 Al/SiC-10%/TiB2-5%的顯微圖。SiC和TiB2的增強(qiáng)效果明顯且在金屬基體中分布均勻。一（d）中SiC增強(qiáng)周圍形成簇叢，這些簇叢主要是TiB2的重量百分比增加所致。另外，簇叢區(qū)域的多孔性也比較明顯。由于TiB2重量百分比的增加會(huì)導(dǎo)致簇叢和高孔隙率，所以TiB2 在鋁基體的重量百分比被限制到了2.5%。

       2. SiC/TiB2增強(qiáng)型Al 6061的硬度試驗(yàn)
       圖二證明添加了TiB2的鋁基體的硬度值有了顯著提高；但當(dāng)TiB2的重量百分比增至5%時(shí)，硬度值出現(xiàn)了突然下降，這是由于簇叢出現(xiàn)，簇叢導(dǎo)致了孔隙率變大。從該圖可以得出一個(gè)結(jié)論：當(dāng)增強(qiáng)成分的重量百分比過大時(shí)，金屬基復(fù)合材料的硬度值則會(huì)下降。試驗(yàn)得出的最佳TiB2百分比為2.5。

       表1顯示隨著TiB2的增加，抗拉強(qiáng)度有了明顯下降。雖然TiB2以高強(qiáng)度著稱，但實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)是顯示有所下降的。原因主要是簇叢形成并導(dǎo)致孔隙率變大。圖三顯示了金屬基中的簇叢和簇叢導(dǎo)致出現(xiàn)的多孔。從圖中可以明顯看到SiC被TiB2包圍。由于SiC/TiB2在鋁基體中分布不勻，缺少鋁基體的地方就沒有界面鍵和。保溫時(shí)間、攪拌速度、攪拌機(jī)的葉輪大小以及葉輪在熔融體中的位置都會(huì)影響抗拉強(qiáng)度，從而影響最終的金屬基復(fù)合材料性能。

       4. 斷裂分析
       圖四（a）展示了含有10%的SiC和0%的TiB2試樣的載荷和延伸長度。由于SiC/TiB2的重量百分比適當(dāng)，延展性和拉伸長度數(shù)據(jù)都很理想。圖片顯示試樣在3900N時(shí)發(fā)生斷裂，延伸長度為0.75mm。（b）展示了含有10%的SiC和2.5%的TiB2試樣的載荷和延伸長度。由于TiB2含量的加大，試樣的延展性和延伸長度都有所下降，在1400N處發(fā)生斷裂，延伸長度為0.1mm。
       圖五（a）展示了含有10%的SiC和0%的TiB2試樣的斷裂宏觀圖。SiC/TiB2在金屬相中分布均勻，沒有出現(xiàn)SiC/TiB2簇叢，穩(wěn)定的界面鍵和使材料的強(qiáng)度增至150.1Mpa。（b）展示了含有10%的SiC和2.5%的TiB2試樣的斷裂宏觀圖。金屬相中的SiC/TiB2分布不均，導(dǎo)致出現(xiàn)圖片上的黑斑點(diǎn)，也即SiC/TiB2簇叢。簇叢形成的表面缺少與鋁基體的鍵和，且孔隙率大，就導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降到54.8Mpa。

       5. 磨損實(shí)驗(yàn)
       圖六展示了試樣的耐磨性由于TiB2的添加而顯著提高。試驗(yàn)進(jìn)行了60分鐘，含有10%的SiC和0%的TiB2試樣的磨耗量為118.11μm；而含有10%的SiC和2.5%的TiB2試樣的磨耗僅94.03μm。數(shù)據(jù)表明TiB2的增加能夠使耐磨性能提高20%。從數(shù)據(jù)中還可以看出5%的TiB2試樣的耐磨性能有所下降，這可能是由于試樣本身的多孔性造成的，與TiB2的添加無關(guān)。

       結(jié)論

       1. 微觀結(jié)構(gòu)分析證明了SiC/TiB2對(duì)金屬基體的影響效果：成分為SiC10%&TiB25%時(shí)，會(huì)出現(xiàn)簇叢。因此TiB2的最佳重量百分比為2.5%（SiC為10%時(shí)）。
       2. 硬度測(cè)試表明SiC/TiB2的添加能夠提高硬度值，但TiB2的含量增至5%時(shí)就會(huì)導(dǎo)致多孔性從而影響硬度。
       3. 拉伸測(cè)試證明添加SiC可以提高材料強(qiáng)度20%，而添加TiB2則會(huì)使強(qiáng)度降低50%-60%。這是由于簇叢的形成導(dǎo)致了多孔的出現(xiàn)，多孔降低了基體的強(qiáng)度。
       4. 磨損實(shí)驗(yàn)證明TiB2可以提高混合鋁金屬基體材料的耐磨性能，成分為10%的SiC和0%的TiB2試樣磨損量要比成分為10%的SiC和2.5%的TiB2試樣磨損量多20%。（內(nèi)容經(jīng)編譯；翻譯：中國磨料磨具網(wǎng)）