不同超声功率对TiB?/回收Al-Si-Cu复合材料微观结构演变及力学性能的影响

《Journal of Allergy and Hypersensitivity Diseases》：Effect of different ultrasonic power on microstructure evolution and mechanical properties of TiB?/recycled Al-Si-Cu composites

本研究通过超声处理探究不同功率对TiB?/回收Al-Si-Cu复合材料的微观结构和力学性能影响。结果表明，450W时晶粒最细（平均95.6μm，细化率39.3%），抗拉强度达201.3MPa（提升51.6%），但600W时晶粒粗化、TiB?团聚，性能下降。超声能量密度与颗粒分散和相转变相关，过高功率导致气泡过度生长和温度升高，反而恶化性能。优化超声功率为450W。

　　
该研究系统探讨了超声波功率对TiB?增强再生Al-Si-Cu合金复合材料微观结构与力学性能的影响机制。研究以2.5体积分数的TiB?颗粒为增强相，通过超声辅助熔体处理技术优化复合材料性能，揭示了超声功率与材料微观组织演变之间的非线性关系。

**研究背景与意义**
铝基复合材料因其高强度、轻量化特性在航空航天领域具有重要应用价值。TiB?颗粒作为理想增强相，具有高硬度、耐高温和良好界面结合等优势。然而，再生铝中含有较高Fe含量（1.02wt%），易形成脆性β-AlFeSi相，导致材料性能劣化。传统制备工艺难以有效解决颗粒团聚和脆性相控制问题。超声辅助技术通过空化效应和声流作用，为调控熔体微观结构提供了新途径。

**制备工艺与表征方法**
实验采用真空辅助高压铸造技术制备复合材料，通过添加K?TiF?和KBF?盐系引发TiB?原位反应。熔体在760℃完全熔融后，经不同功率（0-600W）超声处理，处理时长固定为3分钟，频率20kHz。微观结构分析包括EBSD晶界分析、SEM/TEM组织观察、EDS元素面扫和EDX点扫，力学性能通过拉伸试验（速率2mm/min）和维氏硬度测试（150gf载荷）评估。

**关键发现与机制分析**
1. **超声功率对晶粒细化作用**
- 0W处理（对照组）：平均晶粒尺寸157.6μm，存在粗大板状β-AlFeSi相（长度>200μm）
- 150W处理：晶粒尺寸降至146.9μm，β相长度缩短至158μm
- 450W处理（最优）：晶粒细化至95.6μm（细化率39.3%），β相平均长度143.2μm，α-AlFeSi相占比达71.2%
- 600W处理：晶粒尺寸回升至132.6μm，β相长度增至152.4μm，α相占比下降至59.28%

2. **颗粒分布与界面作用**
- 超声处理显著改善TiB?分布：450W处理时颗粒面积分数减少64%，粒径分布更均匀
- HRTEM显示TiB?与α-Al界面结合紧密（晶格间距0.322nm），未检测到反应产物
- 600W处理导致气孔率增加至4.3%，TiB?团聚区域出现Ti元素富集（面扫显示局部Ti含量达3.2wt%）

3. **Fe-rich相形态演变**
- 超声空化效应破碎长条状β-AlFeSi相（长度从312μm降至143μm）
- 声流剪切力促进α-AlFeSi相形核（体积分数从23.5%提升至71.2%）
- 600W处理时，β相长度反弹19.3%，α相占比下降11.9%

4. **力学性能优化规律**
- 拉伸强度与晶粒尺寸呈负相关（R2=0.89），450W时达201.3MPa（+51.6%）
- 延伸率受β相形态制约，最优处理下延伸率提升至0.95%（+197.8%）
- 维氏硬度达106.5HV（+34.5%），与晶界密度和颗粒间距相关

**机制解析**
1. **超声空化效应**
超声波在熔体中产生周期性压力波动（声压峰值达27.2MPa），形成直径10-50μm的空化泡。在20kHz频率下，空化泡产生频率约30万次/秒，产生局部高温（峰值温度可达熔体实际温度的3-5倍）和冲击波，有效破碎粗大β相（图7d）。

2. **声流动力学作用**
声流速度在450W时达8.9m/s（计算值），形成剪切应力场（σ=ρcA=2700×2600×13.1≈9.1MPa）。这种定向流动促进溶质元素再分配，抑制粗大相生长，同时促进TiB?颗粒从枝晶间向晶界迁移（图5b）。

3. **异质形核协同效应**
TiB?颗粒作为异质形核基底，其高熔点（>3000℃）和强界面结合特性，在超声作用下更有效促进α-Al形核。当超声功率达到450W时，单位体积形核率提升至8.2×101? cm?3·s?1（较未处理组提高4.3倍）。

**工艺优化与工业应用**
研究建立超声功率-能量密度-微观组织的三维关联模型（图10）。当能量密度达到61.1J/cm3时（对应450W处理），晶界密度达1.2×101? cm?3，形成最优多尺度结构：
- 微观尺度：TiB?颗粒（平均粒径0.8μm）均匀分布于晶界和晶内
- 中观尺度：α-Al晶粒（95.6μm）与TiB?形成复合增强网络
- 宏观尺度：晶界曲率半径0.3mm，促进应力梯度分布

该成果为再生铝基复合材料的制备提供了关键参数：
- 超声处理时长应匹配熔体对流特性（本例3分钟为最佳）
- 功率选择需平衡空化强度（建议临界功率450W）与热输入控制
- TiB?体积分数建议控制在2.5-3.5vol%，避免过量导致界面结合失效

**研究局限性**
1. 未考虑熔体对流速度对声场分布的影响
2. 对多相耦合反应（如Al-Si-Cu-TiB?相变）的动态建模不足
3. 未建立材料成分-超声参数-性能的通用数据库

**未来研究方向**
1. 开发在线监测系统，实时追踪超声空化强度与形核动力学关系
2. 探索脉冲超声（占空比30%-50%）对相变过程的调控机制
3. 研究不同冷却速率（0.5-5℃/s）对最终组织的影响规律

该研究证实超声功率存在显著优化阈值（450W），超过此值将引发材料性能的"过载衰减"。这一发现为先进金属基复合材料的智能制造提供了理论依据，特别适用于再生铝资源的高值化利用，对实现"双碳"目标下的轻量化材料升级具有重要工程指导意义。