TiB2/ADC12 铝合金压铸件的力学性能研究

张卓发表于2026/1/20 8:50:42 ADC12压铸合金 Al-5Ti-1B含量力学性能

原标题：压铸成形TiB2/ADC12 铝合金材料组织与力学性能

高压压铸成形工艺（HPDC）具有效率高、成形复杂等优势，被广泛用于铝合金复杂壳体零件，如发动机缸体和变速箱外壳等。为了提高压铸铝合金铸态强度，通常采用合金成分优化及热处理强化两种强化方式。考虑到合金成分改变对流动性的影响，实际上对合金成分调整范围有限。另外，基于常规高压压铸铝件固有的内部卷气问题，不宜采用固溶时效热处理强化。采用真空压铸一定程度上可以解决压铸件热处理过程表面鼓泡问题，但在生产中产生额外的时间和生产成本。铸件高速填充成形过程有利于增强相在铸件中均匀分布，通过高压压铸制备增强相强化铝合金，进而提高压铸件强度是一个值得尝试的方案。

要保证增强相在铝基体中的均匀分布且增强铝基体，需满足两个条件：①增强相与铝熔体界面润湿；②增强相界面与铝熔体无脆性中间相。目前常用的颗粒增强相包括SiC、Al2O3、B4C和TiB2等。相比于其他陶瓷增强颗粒，TiB2具有熔点和硬度高、化学稳定性好等特点，被认为是优良的铝基复合材料增强相。近几年，TiB2增强铝基材料研究主要集中在7000系铝合金。研究者们等通过原位混合盐法制备TiB2增强铝基复合材料，发现弹性模量及强度均得到较大程度的提升。通过高能球磨+放电等离子体烧结+热挤压工艺制备了TiB2增强铝基复合材料，性能大幅提高。此外，通过高压压铸工艺制备TiB2颗粒增强压铸铝合金复合材料也有少量的研究报道。研究发现，在AlSi9Cu2Mg压铸合金中直接加入TiB2纳米颗粒后，晶粒尺寸显著细化，压铸合金的屈服强度和抗拉强度均大幅提高。但通过中间合金制备TiB2增强压铸铝合金复合材料尚未见相关报道。已有研究表明，Al-5Ti-B晶粒细化剂包括Al3Ti和TiB2颗粒，Al3Ti相在高温熔体中是不稳定的（720 ℃时以40 μm/min速度溶解到铝液中），TiB2颗粒几乎不溶解。本研究选用工业普遍使用的ADC12压铸铝合金为基体合金，以Al-5Ti-1B晶粒细化剂作为TiB2颗粒增强相引入源，通过常规高压压铸工艺制备TiB2/ADC12铝合金材料，研究Al-5Ti-1B含量对ADC12压铸合金组织及力学性能的影响，旨在为其应用提供参考。

图文结果

称取一定质量的纯Al（质量分数为99.7%）、K2TiF6粉（化学纯）和KBF4粉（化学纯），三者质量比为3.9:1:2.4。将称量好的K2TiF6粉和KBF4粉混合，充分研磨，得到混合粉料，在200 ℃的保温箱中干燥2 h；待电阻炉中纯铝熔化后，将混合粉料分多次加入到850 ℃的纯铝熔体中并不断搅拌；除去熔盐反应生成的副产物，得到铝熔体，并在电阻炉中静置30 min；扒渣，将混合熔体浇注入棒状金属型（预热至200 ℃），得到Al-5Ti-1B中间合金。

将ADC12基体合金分4组放入石墨坩埚，并在720 ℃的电阻炉中熔化；待合金完全熔化后，向ADC12熔体中分别添加质量分数为1%、3%和5%的Al-5Ti-1B中间合金，并持续搅拌，形成TiB2/ADC12铝合金，加入除渣除气剂，扒去浮渣并在电阻炉中静置20～30 min，最后将得到的铝熔体经冷室压铸机（Toshiba Machine DC-350J-MSmodel）压铸成形，压铸模具及压铸成形试样见图1。

采用蔡司Axio Imager 2光学显微镜对材料微观组织进行表征，使用NANO SEM430型扫描电镜和能谱仪观察微观、断口形貌并进行成分分析，利用D8ADVANCE型X射线衍射仪进行物相分析，采用CuKα弧度源，扫描角度范围为10°~80°［45 kV，步长2（°）/min， 2θ=100°］。硬度测试使用华银HBRVS-187.5数显布氏硬度计，加载载荷为20 N，加载时间为5 s，每个试样测量5个点并取平均值。采用WDW-100G微机控制电子万能试验机进行室温拉伸试验，拉伸速率为1 mm/min，拉伸试样为板条状，试样尺寸见图2。

图1 压铸模具及压铸试样

图2 拉伸试样尺寸示意图

图3和图4分别为熔盐法制备的Al-5Ti-1B中间合金的XRD图谱和显微组织。可以看出，Al-5Ti-1B中间合金包含Al、Al3Ti和TiB2等3种物相。结合有关研究可知，Al3Ti相主要以块状分布在基体中；纳米尺度的TiB2颗粒以团聚形式存在，主要沿着α-Al晶界分布。

图3 Al-5Ti-1B中间合金的XRD图谱

图4 Al-5Ti-1B中间合金微观组织

图5为添加不同含量Al-5Ti-1B中间合金的TiB2/ADC12铝合金典型金相组织。图6为α-Al晶粒尺寸统计。图7为添加不同含量Al-5Ti-1B中间合金的TiB2/ADC12铝合金的SEM形貌。图8为图7局部区域对应的放大形貌及EDS能谱。由能谱分析可知，粗大块状相主要含Fe、Mn和Si等元素，针状相主要包含Al和Ti元素，推测针状相主要是凝固过程形成的Al3Ti相。结合相关研究分析可知，块状相主要是α-AlFeMnSi相。以上结果表明，Al-5Ti-1B可以形核细化α-AlFeMnSi相。

图5 不同Al-5Ti-1B含量的TiB2/ADC12铝合金的金相照片

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

图7 不同Al-5Ti-1B含量的TiB2/ADC12铝合金SEM形貌

图8 图7区域对应的放大形貌及EDS能谱

图9为TiB2/ADC12铝合金的XRD图谱。可以看出，ADC12基体合金中的物相主要由Al和Si相组成；随着Al-5Ti-1B含量增加，衍射谱图中出现了Al3Ti的衍射峰，且随着含量增加衍射峰逐渐增强，与SEM分析结果一致。另外，由于TiB2含量较低，在合金材料中未见其衍射峰。图10为加入不同含量Al-5Ti-1B的TiB2/ADC12铝合金试样硬度变化。

图11为TiB2/ADC12铝合金典型拉伸曲线及力学性能。图12为添加不同含量Al-5Ti-1B中间合金的TiB2/ADC12铝合金的室温拉伸断口形貌。可以看出，断口均以混合断裂为主，包括韧窝组织及沿晶断裂混合组织。