摘要
铝合金作为应用最广泛的轻量化材料，提高其强韧性一直是热点研究方向。TiC和TiB2陶瓷颗粒与铝基体之间有着良好的润湿性和匹配度，是优异的颗粒增强体。目前研究工作主要关注单一尺度陶瓷颗粒或双尺度(微米和纳米)单一种类陶瓷颗粒增强铝基复合材料的显微组织和力学性能，关于原位内生双尺度双相混杂颗粒及合金化协同调控铝合金的研究较少，因此，深入研究微纳双尺度TiC+TiB2混杂颗粒与合金化协同调控Al-Cu合金凝固组织、热处理工艺及力学性能机制研究，有利于为双尺度双相混杂颗粒强化铝合金技术推广应用奠定基础。 本文采用燃烧合成和热压法制备了含有不同合金元素的高体积分数TiC/Al和(TiC+TiB2)/Al复合材料。通过分析复合材料的相组成、显微组织及压缩性能，研究陶瓷颗粒与Al基体之间的界面关系，研究单相和双相陶瓷颗粒以及添加合金元素后，对高体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料显微组织、界面结合及压缩性能的影响规律。采用Al-Ti-B4C反应体系，通过原位内生法制备微纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒调控Al-Cu合金。通过分析陶瓷颗粒特征以及合金中的微观组织和相组成，研究微纳米TiC+TiB2对Al-Cu合金凝固行为、热处理行为及力学性能的影响规律，并揭示其强化机制。本论文主要的创新点如下： (1)在TiC/Al和(TiC+TiB2)/Al复合材料中，合金元素(Ta/Zr/Mg/Zn)的加入可有效细化陶瓷颗粒，并且α-Al与TiB2之间的错配度明显小于α-Al与TiC，在(TiC+TiB2)/Al复合材料中铝基体与陶瓷颗粒之间的界面结合强度和稳定性显著高于TiC/Al复合材料。揭示了添加合金元素后，TiC/Al和(TiC+TiB2)/Al复合材料室温力学性能变化规律：(i)添加Ta元素提高了TiC/Al复合材料室温下的屈服强度和极限抗压强度。加入Mg元素后(TiC+TiB2)/Al复合材料中的屈服强度和极限抗压强度分别提高了34.28%和34.52%。添加Mg和Zn的复合材料的断裂应变分别从7.17%降至3.64%和3.00%。(ii)揭示了添加合金元素改善复合材料力学性能的主要强化机制：固溶强化、陶瓷颗粒晶粒细化和铝-增强颗粒界面晶格失配。复合材料在室温下塑性下降主要机制：固溶强化强化了位错增殖和加工硬化能力，但减少了可移动位错的数量，降低了α-Al软相协调复合材料变形的能力。 (2)采用Al-Ti-B4C反应体系通过原位内生法在熔体内生成20wt.%TiC+TiB2颗粒，其尺寸大多数分布在22.0nm~68.2nm之间，为纳米或亚微米等级，在铝基体均匀分布，没有明显的“团聚”现象，与铝基体之间界面干净且结合良好。TiC和TiB2与α-Al和Al2Cu相之间的晶体学错配度均小于10%，其中TiB2相对于TiC，与α-Al和Al2Cu相之间的错配度更小，表明TiB2与α-Al和Al2Cu相界面结构更加稳定。在凝固过程中纳米陶瓷颗粒起到异质形核的作用，促进形核，限制晶粒长大，显著细化了α-Al晶粒，减轻Cu偏析。固态相变过程中，纳米陶瓷颗粒可有效使得基体中θ''析出相数量增加，尺寸减小，分布也更加均匀。 (3)揭示了微纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒调控Al-Cu合金室温和高温力学性能演变规律及强化机制。室温下，添加0.15wt.%微纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒时，对合金的室温力学性能提升达到最佳的效果，其屈服强度达到466.89MPa，抗拉强度达到537.46MPa，断裂应变达到6.95%，强塑积为3.51?103MPa%，相对于未调控Al-Cu合金，分别增长了5.17%，11.46%，169.38%和231.13%。在473K下，添加0.20wt.%微纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒时，对合金的高温力学性能提升达到最佳的效果，其屈服强度达到239.95MPa、抗拉强度达到347.48MPa，断裂应变达到8.81%，强塑积为2.37?103MPa%。在523K下，添加0.15wt.%微纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒时，对合金的高温力学性能提升达到最佳的效果，其屈服强度达到234.47MPa，抗拉强度达到245.72MPa，断裂应变达到6.02%，强塑积为1.07?103MPa%。微纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒调控Al-Cu合金室温强化机制为：析出强化、热错配强化、Orowan强化、载荷传递强化和细晶强化，其中析出强化机制是主要强化机制。高温强化机制为：(i)微纳米TiC+TiB2陶瓷颗粒对晶界的钉扎作用和阻碍位错运动的作用；(ii)晶界处未固溶的残余Al2Cu相对晶界的钉扎作用；(iii)θ''析出相的强化作用。
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