TiB2/ADC12 鋁合金壓鑄件的力學性能研究

張卓發表于2026/1/20 8:50:42 ADC12壓鑄合金 Al-5Ti-1B含量力學性能

原標題：壓鑄成形TiB2/ADC12 鋁合金材料組織與力學性能

高壓壓鑄成形工藝（HPDC）具有效率高、成形復雜等優勢，被廣泛用于鋁合金復雜殼體零件，如發動機缸體和變速箱外殼等。為了提高壓鑄鋁合金鑄態強度，通常采用合金成分優化及熱處理強化兩種強化方式。考慮到合金成分改變對流動性的影響，實際上對合金成分調整范圍有限。另外，基于常規高壓壓鑄鋁件固有的內部卷氣問題，不宜采用固溶時效熱處理強化。采用真空壓鑄一定程度上可以解決壓鑄件熱處理過程表面鼓泡問題，但在生產中產生額外的時間和生產成本。鑄件高速填充成形過程有利于增強相在鑄件中均勻分布，通過高壓壓鑄制備增強相強化鋁合金，進而提高壓鑄件強度是一個值得嘗試的方案。

要保證增強相在鋁基體中的均勻分布且增強鋁基體，需滿足兩個條件：①增強相與鋁熔體界面潤濕；②增強相界面與鋁熔體無脆性中間相。目前常用的顆粒增強相包括SiC、Al2O3、B4C和TiB2等。相比于其他陶瓷增強顆粒，TiB2具有熔點和硬度高、化學穩定性好等特點，被認為是優良的鋁基復合材料增強相。近幾年，TiB2增強鋁基材料研究主要集中在7000系鋁合金。研究者們等通過原位混合鹽法制備TiB2增強鋁基復合材料，發現彈性模量及強度均得到較大程度的提升。通過高能球磨+放電等離子體燒結+熱擠壓工藝制備了TiB2增強鋁基復合材料，性能大幅提高。此外，通過高壓壓鑄工藝制備TiB2顆粒增強壓鑄鋁合金復合材料也有少量的研究報道。研究發現，在AlSi9Cu2Mg壓鑄合金中直接加入TiB2納米顆粒后，晶粒尺寸顯著細化，壓鑄合金的屈服強度和抗拉強度均大幅提高。但通過中間合金制備TiB2增強壓鑄鋁合金復合材料尚未見相關報道。已有研究表明，Al-5Ti-B晶粒細化劑包括Al3Ti和TiB2顆粒，Al3Ti相在高溫熔體中是不穩定的（720 ℃時以40 μm/min速度溶解到鋁液中），TiB2顆粒幾乎不溶解。本研究選用工業普遍使用的ADC12壓鑄鋁合金為基體合金，以Al-5Ti-1B晶粒細化劑作為TiB2顆粒增強相引入源，通過常規高壓壓鑄工藝制備TiB2/ADC12鋁合金材料，研究Al-5Ti-1B含量對ADC12壓鑄合金組織及力學性能的影響，旨在為其應用提供參考。

圖文結果

稱取一定質量的純Al（質量分數為99.7%）、K2TiF6粉（化學純）和KBF4粉（化學純），三者質量比為3.9:1:2.4。將稱量好的K2TiF6粉和KBF4粉混合，充分研磨，得到混合粉料，在200 ℃的保溫箱中干燥2 h；待電阻爐中純鋁熔化后，將混合粉料分多次加入到850 ℃的純鋁熔體中并不斷攪拌；除去熔鹽反應生成的副產物，得到鋁熔體，并在電阻爐中靜置30 min；扒渣，將混合熔體澆注入棒狀金屬型（預熱至200 ℃），得到Al-5Ti-1B中間合金。

將ADC12基體合金分4組放入石墨坩堝，并在720 ℃的電阻爐中熔化；待合金完全熔化后，向ADC12熔體中分別添加質量分數為1%、3%和5%的Al-5Ti-1B中間合金，并持續攪拌，形成TiB2/ADC12鋁合金，加入除渣除氣劑，扒去浮渣并在電阻爐中靜置20～30 min，最后將得到的鋁熔體經冷室壓鑄機（Toshiba Machine DC-350J-MSmodel）壓鑄成形，壓鑄模具及壓鑄成形試樣見圖1。

采用蔡司Axio Imager 2光學顯微鏡對材料微觀組織進行表征，使用NANO SEM430型掃描電鏡和能譜儀觀察微觀、斷口形貌并進行成分分析，利用D8ADVANCE型X射線衍射儀進行物相分析，采用CuKα弧度源，掃描角度范圍為10°~80°［45 kV，步長2（°）/min， 2θ=100°］。硬度測試使用華銀HBRVS-187.5數顯布氏硬度計，加載載荷為20 N，加載時間為5 s，每個試樣測量5個點并取平均值。采用WDW-100G微機控制電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速率為1 mm/min，拉伸試樣為板條狀，試樣尺寸見圖2。

圖1 壓鑄模具及壓鑄試樣

圖2 拉伸試樣尺寸示意圖

圖3和圖4分別為熔鹽法制備的Al-5Ti-1B中間合金的XRD圖譜和顯微組織。可以看出，Al-5Ti-1B中間合金包含Al、Al3Ti和TiB2等3種物相。結合有關研究可知，Al3Ti相主要以塊狀分布在基體中；納米尺度的TiB2顆粒以團聚形式存在，主要沿著α-Al晶界分布。

圖3 Al-5Ti-1B中間合金的XRD圖譜

圖4 Al-5Ti-1B中間合金微觀組織

圖5為添加不同含量Al-5Ti-1B中間合金的TiB2/ADC12鋁合金典型金相組織。圖6為α-Al晶粒尺寸統計。圖7為添加不同含量Al-5Ti-1B中間合金的TiB2/ADC12鋁合金的SEM形貌。圖8為圖7局部區域對應的放大形貌及EDS能譜。由能譜分析可知，粗大塊狀相主要含Fe、Mn和Si等元素，針狀相主要包含Al和Ti元素，推測針狀相主要是凝固過程形成的Al3Ti相。結合相關研究分析可知，塊狀相主要是α-AlFeMnSi相。以上結果表明，Al-5Ti-1B可以形核細化α-AlFeMnSi相。

圖5 不同Al-5Ti-1B含量的TiB2/ADC12鋁合金的金相照片

圖6 不同Al-5Ti-1B含量的TiB2/ADC12鋁合金α1-Al和α2-Al平均晶粒尺寸

圖7 不同Al-5Ti-1B含量的TiB2/ADC12鋁合金SEM形貌

圖8 圖7區域對應的放大形貌及EDS能譜

圖9為TiB2/ADC12鋁合金的XRD圖譜。可以看出，ADC12基體合金中的物相主要由Al和Si相組成；隨著Al-5Ti-1B含量增加，衍射譜圖中出現了Al3Ti的衍射峰，且隨著含量增加衍射峰逐漸增強，與SEM分析結果一致。另外，由于TiB2含量較低，在合金材料中未見其衍射峰。圖10為加入不同含量Al-5Ti-1B的TiB2/ADC12鋁合金試樣硬度變化。

圖11為TiB2/ADC12鋁合金典型拉伸曲線及力學性能。圖12為添加不同含量Al-5Ti-1B中間合金的TiB2/ADC12鋁合金的室溫拉伸斷口形貌。可以看出，斷口均以混合斷裂為主，包括韌窩組織及沿晶斷裂混合組織。