粉末冶金法制備TiB2與Al 基復(fù)合材料與性能研究

黃軼文，李喜坤，劉鳳國(guó)，孫騫

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

在20 世紀(jì)60 年代，隨著技術(shù)的發(fā)展，金屬基復(fù)合材料開(kāi)始興起，但由于當(dāng)時(shí)的制備的技術(shù)落后導(dǎo)致研究的限制，金屬基復(fù)合材料并未引起注意[1]。至20 世紀(jì)70 年代末，由于各種新興技術(shù)對(duì)于材料的各種性能要求越來(lái)越高，才令金屬基復(fù)合材料的研究得以發(fā)展，其優(yōu)良的性能開(kāi)始得以重視[2]。

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是一種以鋁或鋁合金為基體，加入顆粒以達(dá)到增強(qiáng)性能目的的人工復(fù)合材料。常見(jiàn)的增強(qiáng)相顆粒如氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等[3]。硼化鈦顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)、耐高溫以及良好的疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)[4-7]。在基體與增強(qiáng)顆粒的界面處，硼化鈦顆粒與大多數(shù)的金屬元素都不發(fā)生反應(yīng)，在較高的溫度條下仍然保持很好的機(jī)械性能，同時(shí)TiB2顆粒具有優(yōu)秀的力學(xué)性能[8]。

綜上所述，TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)材料之一，作為新一代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、飛機(jī)、航天、化工等工業(yè)領(lǐng)域[9-10]。在各種制備硼化鈦微粒強(qiáng)化 Al 基復(fù)合材料的方法中，不同的燒結(jié)方法對(duì)所制得的復(fù)合材料的性能影響很大，因此選用合適的燒結(jié)方法是研究鋁基復(fù)合材料制備的關(guān)鍵，真空熱壓燒結(jié)法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單及成熟，制造成本低，有較好的應(yīng)用前景[11]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)使用粉末冶金法制備了所需要的復(fù)合材料。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%的TiB2粉末和純鋁粉混合（每組的樣品質(zhì)量為100 g），兩種粉末配料完畢后，將粉末倒入混料罐中，加入球料比7∶1 的ZrO2陶瓷球，在玻璃箱中充氮?dú)鈱?duì)其進(jìn)行保護(hù)，在三維混料機(jī)中進(jìn)行混料，三維混料機(jī)的速度設(shè)定為40 r·min-1，持續(xù)14 h。將混合好的粉末置于直徑為50 mm 的圓筒狀模具中，再將其置于ZR-6-8Y 型真空鉬絲熱壓爐中，調(diào)整工藝參數(shù)后進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)參數(shù)的相關(guān)信息如表 1 所示。

表1 燒結(jié)參數(shù)

燒結(jié)后對(duì)樣品進(jìn)行熱處理（620 ℃、2 h），熱處理后將所得樣品切割成各實(shí)驗(yàn)所需的尺寸和形狀。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：復(fù)合材料的顯微組織觀察（實(shí)驗(yàn)所用儀器為蔡司光學(xué)倒置金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡）；室溫下測(cè)試復(fù)合材料維氏硬度（實(shí)驗(yàn)所用儀器為HVS-50 維氏硬度計(jì)）；室溫下測(cè)試復(fù)合材料室溫下拉伸性能（實(shí)驗(yàn)所用儀器為萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)）。

為了研究所得樣品的物相組成與含量、微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分，使用X 射線衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）以及能譜儀（EDS）進(jìn)行檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)使用的儀器參數(shù)為：X 射線衍射儀，UltimaⅣ，2036E102，日本，掃描速度為8(°)·min-1，掃描范圍為10°～90°，加速電壓為40 kV，靶材為Cu 靶；掃描電鏡，型號(hào)Hitachi S-3400N,Japan，加速電壓為20 kV；能譜儀，型號(hào)Phoenix,EDAX,USA。數(shù)顯顯微硬度儀，MH-500，上海恒一精密儀器有限公司，用于測(cè)定試樣的顯微硬度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)原料纖維組織觀察

TiB2粉末和混合后的未燒結(jié)的粉末在掃描電鏡下的形貌如圖1 所示。由圖1 可以看出，增強(qiáng)相粉末粒徑均勻，混合后的粉末增強(qiáng)相很好地粘結(jié)在Al基體上，未見(jiàn)有過(guò)多的增強(qiáng)相粉末脫落。

圖1 掃描電鏡下的TiB2粉末和混合后的未燒結(jié)的粉末

2.2 復(fù)合材料顯微組織觀察

質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、5%、10%、15%、20%TiB2/Al基復(fù)合材料以及純鋁樣品以相同燒結(jié)條件在光學(xué)金相顯微鏡下顯微組織圖如圖2 所示。

圖2 不同含量增強(qiáng)相下TiB2/Al 基復(fù)合材料的500 倍金相圖

由圖2 可知，TiB2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、10%、15%、20%的樣品中只有Al 顆粒和TiB2顆粒，并沒(méi)有出現(xiàn)常見(jiàn)的雜質(zhì)AlB2、Al3Ti 等，可以看出當(dāng)增強(qiáng)相TiB2較低時(shí)在純鋁基體中的分散較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，隨著TiB2的含量增加，顆粒逐漸出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。為了驗(yàn)證Al 晶界邊緣的灰色顆粒為T(mén)iB2，對(duì)以上復(fù)合材料使用X 射線衍射儀（XRD）進(jìn)行掃描及分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 以Al/TiB2為原料燒結(jié)試樣的XRD 圖譜

由圖3 可知，燒結(jié)產(chǎn)物中存在兩種晶相，純Al 為主晶相，同時(shí)含有一定的TiB2為副峰，其衍射峰皆相對(duì)較強(qiáng)。

2.3 硬度測(cè)試

將燒結(jié)后的試驗(yàn)樣品用線切割成適合超微載荷顯微硬度計(jì)的尺寸。將切割后的樣品表面用240～3 000 目的砂紙打磨后再用拋光機(jī)以速率1 500 r·min-1進(jìn)行拋光。硬度計(jì)的參數(shù)為在室溫條件下施加荷載300 gf，保持時(shí)間為15 s，在樣品表面取5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行打點(diǎn)，并對(duì)其取平均值，樣品的維氏硬度隨著增強(qiáng)相的增加而增加，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與硬度變化的對(duì)比如表2 所示，得到的曲線如圖4 所示。

圖4 不同含量增強(qiáng)相下的維氏硬度值

由圖4 可以看出，隨著增強(qiáng)相TiB2的加入，復(fù)合材料的硬度有著顯著的增加，均大于純鋁基體材料；隨著TiB2含量的增加，復(fù)合材料的維氏硬度的上升呈線性趨勢(shì)，在TiB2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)維氏硬度達(dá)到最高，相較純鋁基體的維氏硬度提高了24.4%。

TiB2作為增強(qiáng)相的增加提高了純鋁基體的維氏硬度，由于TiB2本身有著優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，基體和顆粒之間形成較強(qiáng)的結(jié)合鍵，承擔(dān)了一小部分的外部荷載；TiB2與基體產(chǎn)生了交互作用，在基體的晶界邊緣阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，對(duì)基體起到了強(qiáng)化作用，隨著TiB2含量的增加，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)更加明顯，因此復(fù)合材料的維氏硬度不斷提高。

2.4 拉伸實(shí)驗(yàn)

在室溫下對(duì)各組分復(fù)合材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示。各質(zhì)量分?jǐn)?shù)鍍銅石墨烯復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度如表3 所示。

圖5 復(fù)合材料拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3 抗拉強(qiáng)度

由表3 中數(shù)據(jù)可以看出，純鋁基體材料抗拉強(qiáng)度小于各質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiB2/Al 復(fù)合材料；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的 TiB2/Al 復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度最大，從128.20 MPa 提高到153.43 MPa，提高了19.68%；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、20%的TiB2/Al 復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度相較純鋁基體材料分別提高了 2.07%、7.67%、4.94%，說(shuō)明TiB2的加入提高了純鋁基體的抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度提高量隨著TiB2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先上升后下降。

3 結(jié) 論

1）以純鋁粉和TiB2粉末為原料采用粉末冶金法可制備基復(fù)合材料，復(fù)合材料晶界處為增強(qiáng)體TiB2的主要分布位置；隨著TiB2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，團(tuán)聚現(xiàn)象增多。

2）燒結(jié)溫度為610 ℃、保溫時(shí)間為1 h、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的TiB2時(shí)燒結(jié)出的復(fù)合材料增強(qiáng)效果最好。

3）TiB2/鋁基復(fù)合材料的硬度均大于純鋁材料，隨著TiB2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的硬度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)TiB2質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%時(shí)對(duì)復(fù)合材料維氏硬度提高效果最好，相較純鋁材料提高了19.68%。

4）TiB2的加入能提高純鋁基體的抗拉強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度提高量隨著TiB2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先上升后下降。