D0I:10.13374/i.issnl001t03.2009.12.010 第31卷第12期 北京科技大学学报 Vol.31 No.12 2009年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2009 TiC,/7075A1基复合材料半固态坯料二次加热组织 张复懿)刘慧敏，2) 刘丽) 1)内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特0100512)内蒙古新材料工程技术中心，呼和浩特010051 摘要利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和示差扫描量热法(DSC)研究了4.4%TiC,/7075Al基复合材料的二次加热 组织演变规律及其影响因素.结果表明：4.4%TiC,/7075基复合材料的最佳二次加热工艺参数是加热温度为590~610℃， 保温时间为10~20mi:4.4%TiC,/7075A1基复合材料在二次加热过程中具有较高的稳定性，随温度的升高和保温时间的延 长，球形晶粒尺寸增加较小：4.4%TiC,/7075A1基复合材料在600℃时的晶粒粗化速率常数为118.96m3g1,远小于7075 基体合金的晶粒粗化速率常数311.7m3s1,更加适宜于半固态触变成形. 关键词金属复合材料：半固态：触变成形：二次加热 分类号TB331 Reheated microstructures of semi-solid ingots of TiCp/7075Al composites ZHA NG Fuyi),LIU Hui-min2),LIU Li 1)School of Materials Science and Engineering.Inner Mongolia University of Technology.Hohhot 010051.China 2)New Materials Engineering Research Centre of Inner Mongolia.Hohhot 010051.China ABSTRACT The reheated microstructures and influencing factors of semi-solid ingots of 4.4%TiCp/7075 composites were investi- gated by SEM,TEM and DSC.The results show that the optimal remelted parameters of 4.4%TiCp/7075 composites are the re- molded temperature of 590 to 610C and the holding time of 10 to 20min.4.4%TiCp/7075 composites are of high stability during the remelting process and the size of spherical grains can hardly increase with the increase of temperature and holding time.The coars- ening velocity of grains in 4.4%TiC/7075 is118.6m which is less than 311.7mfor 7075 matrix alloy.and more suitable for semi-solid thixoforming KEY WORDS metal composites:semi-solid:thixoforming:reheating 作为新型的金属成形技术，半固态触变成形一 在喷射沉积7075铝合金的二次加热组织细化机理 般包括三道工序：坯料制备、二次加热（局部重熔）和 方面进行了深入的研究，并已获得了令人鼓舞的成 触变成形.二次加热是将半固态坯料加热至固一液 果，本文在此基础上，将原位反应与近液相线铸造 两相区并保温一定时间，使合金的部分组织发生演 法相结合，从而形成了一种较为新颖的颗粒增强铝 变、重熔，获得成形所需的适宜晶粒尺寸和形状，满 基复合材料制备方法一原位反应近液相线铸造 足后续的半固态触变成形的要求，在这一过程中， 法，并对采用该方法制备的4.4%TiC./7075Al基 普遍存在着晶粒长大的问题，导致二次加热组织内 复合材料半固态坯料进行二次加热实验，通过控制 晶粒尺寸偏大，对成形件的性能产生不良影响，因 二次加热工艺参数（如加热温度和保温时间）获得具 此严格控制二次加热工艺参数，研究二次加热过程 有合理固液相比例且均匀、圆整的半固态组织，重 中组织演变的规律是半固态触变成形技术的重要内 点研究原位TC颗粒在二次加热过程中对晶粒组 容 织演变规律的影响同，为获得适用于半固态触变成 北京科技大学张济山教授等对原位TC颗粒 形所需的二次加热组织提供理论与实验依据， 收稿日期：2009-03-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。·50661003) 作者简介：张复懿(1980一)，男，硕士研究生；刘慧敏(1972一)，女，教授，博士，E-mail:huimin-1@yahoo.cn
TiCp／7075Al 基复合材料半固态坯料二次加热组织 张复懿1） 刘慧敏12） 刘 丽1） 1） 内蒙古工业大学材料科学与工程学院呼和浩特010051 2） 内蒙古新材料工程技术中心呼和浩特010051 摘 要 利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（T EM）和示差扫描量热法（DSC）研究了4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料的二次加热 组织演变规律及其影响因素．结果表明：4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料的最佳二次加热工艺参数是加热温度为590～610℃ 保温时间为10～20min；4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料在二次加热过程中具有较高的稳定性随温度的升高和保温时间的延 长球形晶粒尺寸增加较小；4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料在600℃时的晶粒粗化速率常数为118∙96μm 3·s －1远小于7075 基体合金的晶粒粗化速率常数311∙7μm 3·s －1更加适宜于半固态触变成形． 关键词 金属复合材料；半固态；触变成形；二次加热 分类号 TB331 Reheated microstructures of sem-i solid ingots of TiCp／7075Al composites ZHA NG Fu-yi 1）LIU Hu-i min 12）LIU Li 1） 1） School of Materials Science and EngineeringInner Mongolia University of TechnologyHohhot 010051China 2） New Materials Engineering Research Centre of Inner MongoliaHohhot 010051China ABSTRACT T he reheated microstructures and influencing factors of sem-i solid ingots of 4∙4％TiCp／7075composites were investigated by SEMT EM and DSC．T he results show that the optimal remelted parameters of 4∙4％TiCp／7075composites are the remolded temperature of 590to610℃ and the holding time of 10to20min．4∙4％TiCp／7075composites are of high stability during the remelting process and the size of spherical grains can hardly increase with the increase of temperature and holding time．T he coarsening velocity of grains in4∙4％TiCp／7075is118∙96μm 3·s －1which is less than311∙7μm 3·s －1for 7075matrix alloyand more suitable for sem-i solid thixoforming． KEY WORDS metal composites；sem-i solid；thixoforming；reheating 收稿日期：2009-03-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50661003） 作者简介：张复懿（1980－）男硕士研究生；刘慧敏（1972－）女教授博士E-mail：huimin－1＠yahoo．cn 作为新型的金属成形技术半固态触变成形一 般包括三道工序：坯料制备、二次加热（局部重熔）和 触变成形．二次加热是将半固态坯料加热至固－液 两相区并保温一定时间使合金的部分组织发生演 变、重熔获得成形所需的适宜晶粒尺寸和形状满 足后续的半固态触变成形的要求．在这一过程中 普遍存在着晶粒长大的问题导致二次加热组织内 晶粒尺寸偏大对成形件的性能产生不良影响．因 此严格控制二次加热工艺参数研究二次加热过程 中组织演变的规律是半固态触变成形技术的重要内 容［1－4］． 北京科技大学张济山教授等对原位 TiC 颗粒 在喷射沉积7075铝合金的二次加热组织细化机理 方面进行了深入的研究并已获得了令人鼓舞的成 果．本文在此基础上将原位反应与近液相线铸造 法相结合从而形成了一种较为新颖的颗粒增强铝 基复合材料制备方法－－－原位反应近液相线铸造 法并对采用该方法制备的4∙4％TiCp／7075Al 基 复合材料半固态坯料进行二次加热实验通过控制 二次加热工艺参数（如加热温度和保温时间）获得具 有合理固－液相比例且均匀、圆整的半固态组织．重 点研究原位 TiC 颗粒在二次加热过程中对晶粒组 织演变规律的影响［5］为获得适用于半固态触变成 形所需的二次加热组织提供理论与实验依据． 第31卷 第12期 2009年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．12 Dec．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．12．010
.1584 北京科技大学学报 第31卷 F=4πA/p2, 1 实验方法 式中，P为晶粒周长；F在0~1之间变化，0表示晶 本实验所用材料为两种具有不同原位TC颗 粒具有一个被拉长的横截面，而1表示晶粒具有一 粒含量的近液相线铸造TiC,/7O75Al基复合材料 个圆的横截面. (TiC的质量分数分别为0、4.4%)，其制备过程为： 100 ①将Ti粉(<50m)、石墨粉(<75m)和A1粉 (<75m)按一定比例混合均匀，并压制成 80 20mm×5mm的预制块备用；②将坩埚中的7075 60 铝合金升温至900℃，用石墨钟罩将规定量的 适宜的半固态区间 TiC一A1预制块压入此合金熔液中，通过原位反应 38 生成TiC颗粒，适当搅拌使其更加均匀地分布于合 20 金熔体中.待反应完成后降温至730℃左右时用六 0 氯乙烷精炼除气，并在635℃附近保温一段时间后 480 510540570600630 温度℃ 浇注成形，完成半固态铝基复合材料的制备 为了确定4.4%TiC./7075Al基复合材料在 图2DSC所测4.4%TiC,/7075A1基复合材料液相比例 7075铝合金固一液两相温度区间(477~635℃)[1内 Fig.2 Liquid percentage of 4.4%TiC/7075Al composites mea 不同温度下的液相体积分数，本文采用示差扫描量 sured by DSC 热法(DSC))确定4.4%TiCp/7075A1复合材料的 实验选用的加热设备为箱式电阻炉Sx13- DSC吸热曲线，试样形状与尺寸为4mmX0.5mm, BYL6,控温精度为土2℃.试样尺寸约为6mm× 升温速率为20℃min-1,氩气保护，升温至700℃， 6mmX6mm,根据以上分析，确定二次加热温度范 并对DSC吸热曲线进行小步长面积积分计算液相 围为580630℃，保温时间为10~60min,达到规 体积分数，进而确定适合于4.4%TiC,/7075A1基 定的保温时间后迅速取出并放入水中，选用三酸水 复合材料半固态触变成形的二次加热温度范围为 溶液(HN032.5%,HC11.5%,HF1%,H2095%, 590~610℃，如图1和图2所示 体积分数)对常规磨制后的试样进行15~20s的腐 2.0 蚀，采用光学显微镜观察其显微组织.应用Image Pro Plus软件和平均截线法统计合金晶粒的平均等 积圆直径(D)与形状因子(F),并绘制出平均等积 1.o 圆直径、形状因子与加热温度、保温时间之间的关系 曲线，采用透射电镜(TEM)观察原位TiC颗粒的 分布、形貌和尺寸等. 0 450 500 550600650 700 2实验结果与分析 温度℃ 2.1温度对二次加热组织的影响 图14.4%TiC,/7075A1基复合材料的DSC吸热曲线 图3为采用原位反应近液相线铸造法制备的 Fig-1 DSC endot hermic curve of 4.4%TiCp/7075 composites 4.4%TiC./7075A1基复合材料与7075基体合金在 初生球形晶粒的主要特征参数为单位体积中的 不同二次加热温度区间580,590,600和630℃下保 晶粒数目及其形状和大小，固相的三维结构通常由 温20min后的二次加热组织，图4为晶粒的平均等积 二维截面来描述，一般而言，晶粒的大小用等积圆 圆直径(D)、形状因子(F)随温度变化的关系曲线， 面积折算的直径D(称其为等积圆直径)来表示，D 通过对图3、图4的观察分析发现，随着加热温 的定义如下： 度升高，4.4%TiC./7075A1基复合材料晶粒的长大 D≈2NAT元 趋势明显低于7075基体合金（图4(a),且含有TiC 式中，A为晶粒的截面积， 颗粒的A1基复合材料的晶粒较7075基体合金细 晶粒的形状可以由晶粒形状因子F表示，F 小，晶粒的圆整度也较基体合金有很大提高，但不是 的定义如下[8]： 温度越高晶粒的圆整度就越大，在600℃时二者的
1 实验方法 本实验所用材料为两种具有不同原位 TiC 颗 粒含量的近液相线铸造 TiCp／7075Al 基复合材料 （TiC 的质量分数分别为0、4∙4％）．其制备过程为： ① 将 Ti 粉（＜50μm）、石墨粉（＜75μm）和 Al 粉 （＜75μm） 按 一 定 比 例 混 合 均 匀并 压 制 成 ●20mm×5mm的预制块备用；② 将坩埚中的7075 铝合金升温至 900℃用石墨钟罩将规定量的 Ti－C－Al预制块压入此合金熔液中通过原位反应 生成 TiC 颗粒适当搅拌使其更加均匀地分布于合 金熔体中．待反应完成后降温至730℃左右时用六 氯乙烷精炼除气并在635℃附近保温一段时间后 浇注成形完成半固态铝基复合材料的制备． 为了确定 4∙4％ TiCp／7075Al 基复合材料在 7075铝合金固－液两相温度区间（477～635℃） ［6］内 不同温度下的液相体积分数本文采用示差扫描量 热法（DSC） ［7］ 确定4∙4％TiCp／7075Al 复合材料的 DSC 吸热曲线试样形状与尺寸为●4mm×0∙5mm 升温速率为20℃·min －1氩气保护升温至700℃ 并对 DSC 吸热曲线进行小步长面积积分计算液相 体积分数进而确定适合于4∙4％TiCp／7075Al 基 复合材料半固态触变成形的二次加热温度范围为 590～610℃如图1和图2所示． 图1 4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料的 DSC 吸热曲线 Fig．1 DSC endothermic curve of 4∙4％TiCp／7075composites 初生球形晶粒的主要特征参数为单位体积中的 晶粒数目及其形状和大小．固相的三维结构通常由 二维截面来描述．一般而言晶粒的大小用等积圆 面积折算的直径 D（称其为等积圆直径）来表示D 的定义如下： D≈2 A／π． 式中A 为晶粒的截面积． 晶粒的形状可以由晶粒形状因子 F 表示．F 的定义如下［8］： F＝4πA／P 2． 式中P 为晶粒周长；F 在0～1之间变化0表示晶 粒具有一个被拉长的横截面而1表示晶粒具有一 个圆的横截面． 图2 DSC 所测4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料液相比例 Fig．2 Liquid percentage of 4∙4％ TiCp／7075Al composites measured by DSC 实验选用的加热设备为箱式电阻炉 SX13－ BYL6控温精度为±2℃．试样尺寸约为6mm× 6mm×6mm根据以上分析确定二次加热温度范 围为580～630℃保温时间为10～60min达到规 定的保温时间后迅速取出并放入水中．选用三酸水 溶液（HNO32∙5％HCl1∙5％HF 1％H2O 95％ 体积分数）对常规磨制后的试样进行15～20s 的腐 蚀采用光学显微镜观察其显微组织．应用 Image Pro Plus 软件和平均截线法统计合金晶粒的平均等 积圆直径（ D）与形状因子（ F）并绘制出平均等积 圆直径、形状因子与加热温度、保温时间之间的关系 曲线．采用透射电镜（TEM）观察原位 TiC 颗粒的 分布、形貌和尺寸等． 2 实验结果与分析 2∙1 温度对二次加热组织的影响 图3为采用原位反应近液相线铸造法制备的 4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料与7075基体合金在 不同二次加热温度区间580590600和630℃下保 温20min 后的二次加热组织图4为晶粒的平均等积 圆直径（D）、形状因子（F）随温度变化的关系曲线． 通过对图3、图4的观察分析发现随着加热温 度升高4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料晶粒的长大 趋势明显低于7075基体合金（图4（a））且含有 TiC 颗粒的 Al 基复合材料的晶粒较7075基体合金细 小晶粒的圆整度也较基体合金有很大提高但不是 温度越高晶粒的圆整度就越大在600℃时二者的 ·1584· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 张复懿等：TC,/7075Al基复合材料半固态坯料二次加热组织 ,1585. 圆整度最大，小于或大于这个温度时晶粒的圆整度 然而TiC颗粒的加入可以显著改善这种情况，并拓 都会有所下降，以上分析表明，二次加热温度对合 宽7075基体合金的二次加热温度区间，对应于本文 金组织有重要影响，对于7075铝合金来说，随着温 所研究的4.4%TiC./7075A1基复合材料，其最佳二 度升高，组织内部的晶粒大小和球化效果较为敏感， 次加热温度范围为590610℃（图4(b). (a) (g 100山m 580℃ 590℃ 600℃ 630℃ 图3两种材料在不同温度下保温20min后的二次加热组织.(a)~(d)4.4%TiC,/7075A1基复合材料：(e)~(h)7075基体合金 Fig.3 Microstructures of two semi-solid billets reheated at different temperatures for 20min:(a)to (d)4.4%TiC/7075Al composites:(e)to (h)7075 matrix alloy 100 (a) 0.90b) 0.84 80 0.78 ■4.4%TiC/7075 70 ■4.4%TiC/7075 0.72 ●7075 ·7075 0.66 ● 50 0.60 0.54 40 580 590 600610620630 580590 600610620630 温度℃ 温度℃ 图4晶粒的平均等积圆直径(a)、形状因子(b)与加热温度之间的关系 Fig.4 Relations of mean equal-area"circle diameter(a)and shape factor (b)to reheating temperature 2.2保温时间对二次加热组织的影响 600℃下保温10,20,40和60min的二次加热组 图5为采用原位反应近液相线铸造法制备的 织，图6为晶粒的平均等积圆直径(D)、形状因子 4.4%TiC./7075Al基复合材料与7075基体合金在 (F)随保温时间的变化关系曲线， (b) (c (g) h 100μm 10min 20 min 40 min 60 min 图5两种材料在600℃保温不同时间的二次加热组织.(a)~(d)4.4%TiC,/7075A1基复合材料：(e)~(h)7075基体合金 Fig.5 Microstructures of two semisolid billets at 600C for different holding time periods:(a)to (d)4.4%TiCp/7075Al composites:(e)to (h) 7075 matrix alloy
圆整度最大小于或大于这个温度时晶粒的圆整度 都会有所下降．以上分析表明二次加热温度对合 金组织有重要影响对于7075铝合金来说随着温 度升高组织内部的晶粒大小和球化效果较为敏感 然而 TiC 颗粒的加入可以显著改善这种情况并拓 宽7075基体合金的二次加热温度区间对应于本文 所研究的4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料其最佳二 次加热温度范围为590～610℃（图4（b））． 图3 两种材料在不同温度下保温20min 后的二次加热组织．（a）～（d）4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料；（e）～（h）7075基体合金 Fig．3 Microstructures of two sem-i solid billets reheated at different temperatures for20min：（a） to （d）4∙4％TiCp／7075Al composites；（e） to （h）7075matrix alloy 图4 晶粒的平均等积圆直径（a）、形状因子（b）与加热温度之间的关系 Fig．4 Relations of mean equa-l area-circle diameter （a） and shape factor （b） to reheating temperature 图5 两种材料在600℃保温不同时间的二次加热组织．（a）～（d）4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料；（e）～（h）7075基体合金 Fig．5 Microstructures of two sem-i solid billets at600℃ for different holding time periods：（a） to （d）4∙4％TiCp／7075Al composites；（e） to （h） 7075matrix alloy 2∙2 保温时间对二次加热组织的影响 图5为采用原位反应近液相线铸造法制备的 4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料与7075基体合金在 600℃下保温102040和60min 的二次加热组 织图6为晶粒的平均等积圆直径（ D）、形状因子 （F）随保温时间的变化关系曲线． 第12期 张复懿等： TiCp／7075Al 基复合材料半固态坯料二次加热组织 ·1585·
,1586 北京科技大学学报 第31卷 通过对图5、图6的观察分析发现，随着保温时间 4.4%TiC./7075A1基复合材料的晶粒长大速度（图 的延长，两种材料的组织中初生晶粒逐渐长大，和球化 6(a),两种材料组织中初生晶粒的球化效果都有明 的过程基本相似，唯一不同之处是4.4%TiC,/7075A1 显提高（图6(b):②保温后期（即40~60min), 基复合材料的晶粒大小、球化与均匀化程度均较 7075基体合金与4.4%TiC./7075Al基复合材料的 7075基体合金有明显提高.因此可以分为两个阶 晶粒长大速度基本一致，两种材料组织中初生晶粒 段来描述晶粒长大和球化过程：①保温前期（即 的球化效果都基本不再发生改变，保持相对稳定的 10~20min),7075铝合金的晶粒长大速度明显高于 状态 0.90 (a) 100 ■4.4%TiC,/7075 (b) ■4.4%TC.7075 ●7075 0.85 ●7075 wrd' 90 0.80 0.75 70 60 0.65 40 0.60 10 20 304050 60 10 2030.405060 保温时间/min 保温时间mn 图6晶粒的平均等积圆直径()、形状因子(b)与保温时间的关系 Fig.6 Relations of mean equal-area circle diameter (a)and shape factor (b)to holding time 综上所述，为保证半固态触变成形工艺的顺利 分析其对二次加热组织的细化作用主要有以下三个 进行，二次加热时不仅温度的选择是十分关键的，而 方面：①TiC颗粒的加入使得在相同加热保温条件 且保温时间以及加热温度与保温时间的合理匹配也 下进行二次加热实验时，4.4%TiC,/7075A1基复合 是至关重要的，对于尺寸为6mmX6mmX6mm的 材料组织内部产生的液相体积分数较7075基体合 4.4%TiC,/7075Al基复合材料试样，二次加热的最 金有所减少，显著增加了晶粒的非均匀形核率，从而 佳工艺参数是：二次加热温度为590~610℃，保温 减小了晶粒长大的有效空间；②TiC增强颗粒的存 时间为10~20min. 在减小了7075基体合金中其他合金元素的有效扩 2.3TiC颗粒对复合材料二次加热组织的影响 散系数，也有效抑制了二次加热过程中晶粒的长大： 图7为合金中以原位反应方式加入的TiC颗粒 ③在形核数目一定的条件下，晶粒的长大主要是依 的形貌与分布.由图7(a)可知，原位TiC颗粒的形 靠晶界的移动来完成，而在二次加热过程中，由于有 貌呈现多边形（空间中呈多面体），尺寸为0.5~ 一定量液相的存在，处于晶界处的部分TC颗粒被 1.0m.由原位反应（或原位合成）技术的特点[]可 液相浸润，因此晶界在迁移时拖动带有一定液相膜 知，原位TiC颗粒在基体内的分布是较为均匀的， 的颗粒一起移动变得非常困难，而只能采取以绕过 即在基体的晶粒内部和晶界（图7(b))处均有分布. 颗粒的方式来继续移动，从而降低了晶界移动的速 (b) 度，使晶粒长大行为受到抑制，其抑制作用过程如 图8所示， 原位反应近液相线铸造4.4%TiC,/7075Al基 复合材料与7075基体合金在600℃时的晶粒粗化 动力学曲线示于图9中.根据Ostwald熟化定律，平 均等积圆直径(D)的立方与保温时间(t)成正比，应 用公式为10： △D3ocKt 式中，K为晶粒粗化速率常数， 500 nm 50m 由图9中两条拟合直线的斜率可知，7075基体 图7原位TiC颗粒的形貌(a)与分布(b) 合金的晶粒粗化速率常数为311.7hm3s1,而 Fig.7 Morphology (a)and distribution (b)of in situ TiC particles 4.4%TiC./7075Al基复合材料的晶粒粗化速率常
通过对图5、图6的观察分析发现随着保温时间 的延长两种材料的组织中初生晶粒逐渐长大和球化 的过程基本相似唯一不同之处是4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料的晶粒大小、球化与均匀化程度均较 7075基体合金有明显提高．因此可以分为两个阶 段来描述晶粒长大和球化过程：① 保温前期（即 10～20min）7075铝合金的晶粒长大速度明显高于 4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料的晶粒长大速度（图 6（a））两种材料组织中初生晶粒的球化效果都有明 显提高（图6（b））；② 保温后期（即40～60min） 7075基体合金与4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料的 晶粒长大速度基本一致两种材料组织中初生晶粒 的球化效果都基本不再发生改变保持相对稳定的 状态． 图6 晶粒的平均等积圆直径（a）、形状因子（b）与保温时间的关系 Fig．6 Relations of mean equa-l area-circle diameter （a） and shape factor （b） to holding time 综上所述为保证半固态触变成形工艺的顺利 进行二次加热时不仅温度的选择是十分关键的而 且保温时间以及加热温度与保温时间的合理匹配也 是至关重要的．对于尺寸为6mm×6mm×6mm 的 4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料试样二次加热的最 佳工艺参数是：二次加热温度为590～610℃保温 时间为10～20min． 图7 原位 TiC 颗粒的形貌（a）与分布（b） Fig．7 Morphology （a） and distribution （b） of in-situ TiC particles 2∙3 TiC 颗粒对复合材料二次加热组织的影响 图7为合金中以原位反应方式加入的 TiC 颗粒 的形貌与分布．由图7（a）可知原位 TiC 颗粒的形 貌呈现多边形（空间中呈多面体）尺寸为0∙5～ 1∙0μm．由原位反应（或原位合成）技术的特点［9］可 知原位 TiC 颗粒在基体内的分布是较为均匀的 即在基体的晶粒内部和晶界（图7（b））处均有分布． 分析其对二次加热组织的细化作用主要有以下三个 方面：① TiC 颗粒的加入使得在相同加热保温条件 下进行二次加热实验时4∙4％TiCp／7075Al 基复合 材料组织内部产生的液相体积分数较7075基体合 金有所减少显著增加了晶粒的非均匀形核率从而 减小了晶粒长大的有效空间；② TiC 增强颗粒的存 在减小了7075基体合金中其他合金元素的有效扩 散系数也有效抑制了二次加热过程中晶粒的长大； ③ 在形核数目一定的条件下晶粒的长大主要是依 靠晶界的移动来完成而在二次加热过程中由于有 一定量液相的存在处于晶界处的部分 TiC 颗粒被 液相浸润因此晶界在迁移时拖动带有一定液相膜 的颗粒一起移动变得非常困难而只能采取以绕过 颗粒的方式来继续移动从而降低了晶界移动的速 度使晶粒长大行为受到抑制．其抑制作用过程如 图8所示． 原位反应近液相线铸造4∙4％TiCp／7075Al 基 复合材料与7075基体合金在600℃时的晶粒粗化 动力学曲线示于图9中．根据 Ostwald 熟化定律平 均等积圆直径（ D）的立方与保温时间（ t）成正比应 用公式为［10］： ΔD 3∝ Kt 式中K 为晶粒粗化速率常数． 由图9中两条拟合直线的斜率可知7075基体 合金的晶粒粗化速率常数为311∙7μm 3·s －1而 4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料的晶粒粗化速率常 ·1586· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第12期 张复懿等：TC,/70751基复合材料半固态坯料二次加热组织 .1587. 参考文献 [1]Liu H W.Zhang L.Wang J J.et al.Self-reactive spray formed 接触周界 (2nrcos o) TiC-TiB2 composite ceramic perform.Chin J Mater Res.2008. 22(3):274 (刘宏伟，张龙，王建江，等.自反应喷射成形制备TC-TB2复 合陶瓷.材料研究学报，2008,22(3)：274) TC颗粒 [2]Zhou J.Zhang T J.Zhang X M.et al.The influence of strain rate and solution treatment on dynamic recrystallization for 7075 图8TC颗粒对晶界迁移的阻碍作用 aluminum alloy.Rare Met Mater Eng.2004.33(6):580 Fig.8 Hindering effect of TiC particles for grain boundary migra- (周建，张廷杰，张小明，等.应变速率和固溶处理对7075铝合 tion 金锻件动态再结晶的影响。稀有金属材料与工程，2004,33 (6):580) 1200 1000 ■4.49%TiC/7075 [3]Meyer O.Fritsching U.Bauchage K.Numerical investigation of 。7075 alternative process conditions for influencing the thermal history of 800 spray deposited billets.Int J Therm Sei.2003.42:153 [4]Callister WDJr.Fundamentals of Materials Science and Engi- 600 neering 5th Ed.Beijing:Chemical Industry Press.2004 400 (凯里斯特.材料科学与工程基础.5版.北京：化学工业出版 社，2004) 200 [5]Liu W J.Xiong W H.Zheng Y.Appearance of fracture and toughening mechanisms of Ti(C.N)-based cermets.Chin J Non- 10 20 40 时间min ferrous Met,2006,16(5).800 (刘文俊，熊惟皓，郑勇·Ti(C,N)基金属陶瓷断口形貌及增韧 图9TiC/7075A1基复合材料和7075A1合金的晶粒粗化动力学 机理.中国有色金属学报，2006,16(5)：800) 曲线 [6]Wu G.Yao L J.Li Z X,et al.Handbook of Aluminum and Fig.9 Grain coarsening kinetic curves of TiCp/7075Al composites Aluminum Alloys.Beijing:Science Press.1997 and 7075 alloy (武恭，姚良均，李震霞，等。铝及铝合金材料手册，北京：科学 出版社，1997) 数为118.96m3·s1.两者相比较可知，4.4% [7]Lu G M.Ren X F.Dong J.et al.Liquid fraction of 7075 alu- TiC,/7075A1基复合材料的粗化速率常数远小于基 minum alloy cast by LSC during reheating.INortheast Univ Nat 体合金，这表明4.4%TiC,/7075Al基复合材料在 Sci,2002,23(9).877 (路贵民，任栖锋，董杰，等.70751合金LSC铸锭二次加热中 二次加热过程中晶粒长大趋势较小，具有较高的热 的液固相体积分数.东北大学学报：自然科学版，2002,23(9)： 稳定性 877) 3结论 [8]Guan R G.Ma W M.Theory and Technology of Semi-Solid Metal Forming Beijing:Metallurgical Industry Press.2005 (1)通过实验得到了二次加热工艺参数对 (管仁国，马伟民，金属半固态成形理论与技术.北京：冶金工 4.4%TiC,/7075A1基复合材料二次加热组织的影 业出版社，2005) [9]Liu H M,He J P,Yang B.et al.Grain growth law of semi-solid 响规律，确定最佳二次加热工艺参数是：二次加热温 state TiC/7075Al alloy prepared by spray deposition.Acta Met- 度为590~610℃，保温时间为10~20min. all Sin,2006,42(2):158 (2)4.4%TiC./7075A1基复合材料在二次加热 (刘慧敏，何建平，杨滨，等.半固态喷射沉积TC,/7075铝合 过程中具有较高的热稳定性，随温度升高和保温时 金的晶粒长大规律.金属学报，2006,42(2)：158) 间增加，球形晶粒的平均等积圆直径增加较小，球化 [10]Ji JX.DongS Q,Liang Y F,et al.Strengthing and toughening mechanisms of in situ TiC particulates reinforced Al-4.5Cu al- 效果较好.4.4%TiC./7075A1基复合材料在600℃ loy.Foundry Technol,2008.29(6):786 时的晶粒粗化速率常数为118.96m3s1,小于7075 (纪锦霞，董晟全，梁艳峰，等.TiC原位增强A4.5Cu合金 基体合金的晶粒粗化速率常数311.7hm3s1. 的强韧化机理.铸造技术，2008,29(6)：786)
图8 TiC 颗粒对晶界迁移的阻碍作用 Fig．8 Hindering effect of TiC particles for grain boundary migration 图9 TiCp／7075Al 基复合材料和7075Al 合金的晶粒粗化动力学 曲线 Fig．9 Grain coarsening kinetic curves of TiCp／7075Al composites and7075alloy 数为 118∙96μm 3·s －1．两者相比较可知4∙4％ TiCp／7075Al 基复合材料的粗化速率常数远小于基 体合金．这表明4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料在 二次加热过程中晶粒长大趋势较小具有较高的热 稳定性． 3 结论 （1） 通过实验得到了二次加热工艺参数对 4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料二次加热组织的影 响规律确定最佳二次加热工艺参数是：二次加热温 度为590～610℃保温时间为10～20min． （2）4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料在二次加热 过程中具有较高的热稳定性随温度升高和保温时 间增加球形晶粒的平均等积圆直径增加较小球化 效果较好．4∙4％TiCp／7075Al 基复合材料在600℃ 时的晶粒粗化速率常数为118∙96μm 3·s －1小于7075 基体合金的晶粒粗化速率常数311∙7μm 3·s －1． 参 考 文 献 ［1］ Liu H WZhang LWang J Jet al．Self-reactive spray formed TiC-TiB2composite ceramic perform．Chin J Mater Res2008 22（3）：274 （刘宏伟张龙王建江等．自反应喷射成形制备 TiC-TiB2 复 合陶瓷．材料研究学报200822（3）：274） ［2］ Zhou JZhang T JZhang X Met al．The influence of strain rate and solution treatment on dynamic recrystallization for 7075 aluminum alloy．Rare Met Mater Eng200433（6）：580 （周建张廷杰张小明等．应变速率和固溶处理对7075铝合 金锻件动态再结晶的影响．稀有金属材料与工程200433 （6）：580） ［3］ Meyer OFritsching UBauchage K．Numerical investigation of alternative process conditions for influencing the thermal history of spray deposited billets．Int J Therm Sci200342：153 ［4］ Callister W D Jr．Fundamentals of Materials Science and Engineering．5th Ed．Beijing：Chemical Industry Press2004 （凯里斯特．材料科学与工程基础．5版．北京：化学工业出版 社2004） ［5］ Liu W JXiong W HZheng Y．Appearance of fracture and toughening mechanisms of Ti（CN）-based cermets．Chin J Nonferrous Met200616（5）：800 （刘文俊熊惟皓郑勇．Ti（CN）基金属陶瓷断口形貌及增韧 机理．中国有色金属学报200616（5）：800） ［6］ Wu GYao L JLi Z Xet al．Handbook of Aluminum and Aluminum Alloys．Beijing：Science Press1997 （武恭姚良均李震霞等．铝及铝合金材料手册．北京：科学 出版社1997） ［7］ Lu G MRen X FDong Jet al．Liquid fraction of 7075aluminum alloy cast by LSC during reheating．J Northeast Univ Nat Sci200223（9）：877 （路贵民任栖锋董杰等．7075Al 合金 LSC 铸锭二次加热中 的液固相体积分数．东北大学学报：自然科学版200223（9）： 877） ［8］ Guan R GMa W M． Theory and Technology of Semi-Solid Metal Forming．Beijing：Metallurgical Industry Press2005 （管仁国马伟民．金属半固态成形理论与技术．北京：冶金工 业出版社2005） ［9］ Liu H MHe J PYang Bet al．Grain growth law of sem-i solid state TiCp／7075Al alloy prepared by spray deposition．Acta Metall Sin200642（2）：158 （刘慧敏何建平杨滨等．半固态喷射沉积 TiCp／7075铝合 金的晶粒长大规律．金属学报200642（2）：158） ［10］ Ji J XDong S QLiang Y Fet al．Strengthing and toughening mechanisms of in-situ TiC particulates reinforced A-l4∙5Cu a-l loy．Foundry Technol200829（6）：786 （纪锦霞董晟全梁艳峰等．TiC 原位增强 A-l4∙5Cu 合金 的强韧化机理．铸造技术200829（6）：786） 第12期 张复懿等： TiCp／7075Al 基复合材料半固态坯料二次加热组织 ·1587·