張 利，武保林，崔獻(xiàn)威

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110136;2.遼寧省航空輕合金及加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110136)

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以其比強(qiáng)度和比模量高，耐磨性、阻尼性及導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，在航空航天、軍事、汽車、電子信息和高速機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前所研究的鋁基復(fù)合材料多以陶瓷顆粒如SiC、Al2O3、B4C等作為增強(qiáng)相，由于增強(qiáng)相與基體性質(zhì)上的較大差異導(dǎo)致增強(qiáng)相與基體的界面結(jié)合不理想，同時(shí)增強(qiáng)相與基體反應(yīng)產(chǎn)物一般也為脆性相從而嚴(yán)重破壞材料的塑性和韌性，具有較低密度和較高強(qiáng)度的Ti顆粒應(yīng)該是增強(qiáng)相的理想選擇［1］。Ti具金屬性質(zhì)，因而采用Ti作為增強(qiáng)相制備鋁基復(fù)合材料將會(huì)減小陶瓷類增強(qiáng)體與液體鋁基體因化學(xué)反應(yīng)形成脆性相的幾率，從而大幅度地提高材料的比強(qiáng)度和塑性［2］。李小強(qiáng)等［3］對(duì) Ti-Al二元粉末機(jī)械合金化過(guò)程中的組織結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了研究，Liu等［4］確定了Ti/Al擴(kuò)散偶的優(yōu)先相，陳小會(huì)等［5］利用冰晶石與鈦粉通過(guò)原位反應(yīng)制備TiAl3/7075鋁基復(fù)合材料。M.A.Munoz-Morris等［6］研究了不同體積和粒度的 γ-TiAl增強(qiáng) Al-TiAl材料，通過(guò)調(diào)整體積分?jǐn)?shù)及粒度可達(dá)到較高的強(qiáng)度和塑性。但利用Ti顆粒作為增強(qiáng)體原始粉體制備鋁基復(fù)合材料的研究很少。本文選用與鋁基體同具金屬性質(zhì)的Ti顆粒作為增強(qiáng)相原始粉體，采用相變擴(kuò)散復(fù)合的技術(shù)路線制備由金屬間化合物及Ti復(fù)合增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，探討TiP/Al粉末熱壓燒結(jié)的組織演變過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)方法

選用鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司生產(chǎn)的純鋁粉以及市售分析純鈦粉。純鋁粉平均粒度為2μm，純鈦粉為不規(guī)則顆粒，粒度范圍在10～60μm。粉體形貌如圖1所示。粉體經(jīng)過(guò)紅外線加熱進(jìn)行干燥后，按質(zhì)量比為Al∶Ti=77%∶23%(以下簡(jiǎn)記為Al-23Ti)的比例進(jìn)行配置，利用行星式球磨機(jī)進(jìn)行粉體混和，而后裝入擠壓模具中，放入真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)成型，壓力控制在150MPa，燒結(jié)溫度以420℃為基礎(chǔ)，以50℃為梯度，逐漸增加至650℃。改變熱壓燒結(jié)時(shí)間獲得Φ16mm的圓柱狀樣品。樣品的金相顯微組織利用Olympus GX71光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察與分析，樣品的組織演變過(guò)程分析借助KYKY-2800B掃描電鏡及附件Thermofisher system 7 X射線能譜分析儀來(lái)完成，樣品硬度采用HR-150型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

圖1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用粉體的SEM形貌照片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樣品金相顯微組織分析

樣品在420℃ ～570℃溫度區(qū)間，熱壓燒結(jié)2h所獲得樣品的金相顯微組織如圖2所示。由圖2(a)可以看出，在420℃進(jìn)行熱壓燒結(jié)，基體鋁基本上通過(guò)擴(kuò)散反應(yīng)形成一定的致密度，但是由于溫度較低，基體鋁粉間結(jié)合并不是十分致密，有微孔存在(如圖2(a)標(biāo)識(shí)A所示)。增強(qiáng)體Ti顆粒與基體鋁粉界面結(jié)合位置邊緣清晰，說(shuō)明Ti顆粒只是在溫度及壓力的作用下與塑性基體機(jī)械結(jié)合，此時(shí)兩種粉體之間幾乎沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng);隨溫度升高到470℃，由圖2(b)可知，樣品基體結(jié)合較為致密，已不存在微孔，增強(qiáng)體Ti顆粒邊緣與基體的界線不是很清晰，表明兩種粉體之間發(fā)生了少量擴(kuò)散反應(yīng)。

當(dāng)溫度繼續(xù)升高，如圖2(c)、(d)所示，樣品基體結(jié)合很致密，而較大Ti顆粒邊緣與基體結(jié)合位置出現(xiàn)一定寬度的較暗層(后面通過(guò)能譜測(cè)試確定為生成的新的中間相Al3Ti)，表明在520℃ ～570℃兩種粉體發(fā)生一定的擴(kuò)散反應(yīng)，中間相Al3Ti的生成與其自身的自由能最低，為最優(yōu)先析出相相關(guān)［7］，但由于溫度相對(duì)較低，所形成的Al3Ti層還是很薄。

繼續(xù)升高溫度至600℃，熱壓燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)到3h獲得樣品的顯微組織照片如圖3所示。

由于溫度的升高和燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，基體結(jié)合更加致密。原始Ti顆粒自身的棱角由于擴(kuò)散反應(yīng)而變得圓整，顆粒與基體交界處出現(xiàn)一定厚度的顏色較暗層，內(nèi)部相對(duì)顏色較淺，表明大部分較小的顆粒已經(jīng)完全反應(yīng)形成新相。而從對(duì)樣品中個(gè)別顆粒進(jìn)行局部放大的圖3(b)可以看出在較大顆粒的邊界(標(biāo)記A處)與內(nèi)部的晶界(標(biāo)記B)處都優(yōu)先形成中間相，由此可見(jiàn)，二者發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)的通道是Ti顆粒的晶界，Al通過(guò)擴(kuò)散通道逐漸向Ti顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，不斷形成新相，擴(kuò)散反應(yīng)的痕跡清晰可見(jiàn)。這主要是因?yàn)榫Ы缣廃c(diǎn)陣畸變較大，原子處于較高能量狀態(tài)，原子的活動(dòng)能力較強(qiáng)，故晶界擴(kuò)散激活能比晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散激活能要小得多，金屬原子在晶界上的擴(kuò)散比晶粒內(nèi)部快得多。隨溫度升高，Al向Ti顆粒擴(kuò)散速度加快，在Ti顆粒內(nèi)部晶界處超過(guò)了Ti的固溶度，達(dá)到局部的過(guò)飽和，Al的濃度達(dá)到形成中間相的濃度，就會(huì)與晶界周圍的Ti反應(yīng)形成中間相，冷卻時(shí)被保留下來(lái)形成網(wǎng)狀。600℃樣品的基體結(jié)合很好，大部分Ti顆粒與基體鋁發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，所形成的增強(qiáng)相與基體結(jié)合良好，表明溫度升高對(duì)擴(kuò)散反應(yīng)有較大的促進(jìn)作用同時(shí)有利于材料性能的提高，但當(dāng)溫度高于650℃時(shí)，會(huì)有液相出現(xiàn)。

圖2 不同溫度熱壓燒結(jié)2h樣品金相顯微組織(0.5%HF水溶液浸蝕)

圖3 600℃熱壓燒結(jié)3h樣品的顯微組織(0.5%HF水溶液浸蝕)

2.2 組織演變過(guò)程分析

利用掃描電鏡附帶的X射線能譜儀(EDS)對(duì)520℃2h的樣品中某個(gè)較大顆粒進(jìn)行線掃描，掃描位置及獲得成分譜如圖4所示。

對(duì)圖4(a)中顆粒進(jìn)行線掃描，成分變化情況見(jiàn)圖4(b)，Ti顆粒邊緣與基體鋁交界處兩種元素的含量并不是突變的，而是由二者交界向顆粒內(nèi)部延伸的3～15μm范圍內(nèi)，鋁元素的含量逐漸下降，相對(duì)的Ti的含量逐漸地增加，表明Ti顆粒與周圍基體發(fā)生了一定的擴(kuò)散反應(yīng);再向Ti顆粒內(nèi)部，只有純Ti的譜線，而鋁的含量降為零，該范圍內(nèi)的Ti幾乎沒(méi)有受到擴(kuò)散反應(yīng)影響，成分未發(fā)生變化，表明在該溫度和時(shí)間條件下，Al與Ti擴(kuò)散反應(yīng)很慢，僅僅發(fā)生在顆粒表面向內(nèi)約15μm范圍內(nèi)。

對(duì)600℃3h的樣品中的顆粒進(jìn)行定點(diǎn)成分分析，所分析位置及獲得成分譜如圖5所示。由表1對(duì)應(yīng)的pt1、pt2點(diǎn)處的原子比分別為Al:Ti=18.29∶81.71 及 Al∶Ti=74.18∶25.82，由此可見(jiàn)“A”顆粒的心部(pt1)主要成分是Ti，Al:Ti原子比接近1∶4，該位置并沒(méi)有形成相圖的固有相［8］，而是擴(kuò)散反應(yīng)中原子富集的一個(gè)過(guò)程;而顆粒與鋁基體的結(jié)合處(pt2)的 Al∶Ti為3∶1，該比例確定的中間相為Al3Ti，該相形成以后，隨Al原子擴(kuò)散，造成該位置的Al∶Ti比例大于3∶1，過(guò)多的Al原子會(huì)繼續(xù)向Ti顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，因而內(nèi)部的Al濃度會(huì)不斷增大，某一階段就會(huì)形成如pt1處的過(guò)渡相，而隨擴(kuò)散的繼續(xù)進(jìn)行，則Al∶Ti的比例會(huì)逐漸增大，可能會(huì)形成如“B”顆粒邊緣(pt3)處二者的原子比例 Al∶Ti=47.08∶52.92(接近 1∶1)，按此比例形成的中間相為TiAl，其心部(pt4處)在該條件下沒(méi)受到擴(kuò)散影響，仍然為純Ti(見(jiàn)表1 pt4 處 Al∶Ti=0∶100);而“C”顆粒除了其周圍與基體接觸處(pt5、pt7、pt8)Al∶Ti原子比均接近3∶1形成Al3Ti，由于該Ti顆粒較大，其內(nèi)部仍然存在沒(méi)有參與擴(kuò)散反應(yīng)的純Ti(見(jiàn)表1 pt6處Al∶Ti=0∶100)。

圖4 520℃熱壓燒結(jié)2h樣品線掃描

圖5 600℃熱壓燒結(jié)3h樣品中顆粒增強(qiáng)相成分分析

表1 定點(diǎn)成分分析中相關(guān)點(diǎn)的AlTi比例(原子比)

通過(guò)上述對(duì)具體燒結(jié)條件的樣品的金相及成分分析，明確了固態(tài)條件下Al與Ti之間的組織演變過(guò)程。隨溫度升高，Al粉與Ti粉發(fā)生互擴(kuò)散反應(yīng)。由于在低于Al的熔點(diǎn)時(shí)Al在Ti中的擴(kuò)散速率比Ti在Al中的擴(kuò)散速率略大，同時(shí)，Ti在Al中的固溶度遠(yuǎn)小于Al在Ti中的固溶度，因而，Al是主要的擴(kuò)散組元［9］。Al首先溶入Ti顆粒表面形成Ti的α固溶體(即α-Ti)，隨擴(kuò)散反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，擴(kuò)散至Ti顆粒表層的Al的量超過(guò)了該溫度下Al在Ti中的固溶度，如上述出現(xiàn)的Al:Ti原子比接近1:4。而隨擴(kuò)散進(jìn)行該過(guò)渡相會(huì)形成穩(wěn)定的金屬間化合物，由于Al3Ti的形成所增加的界面能最低，有利于Al3Ti的優(yōu)先形核長(zhǎng)大，所以Al3Ti成為金屬間化合物優(yōu)先相［9］。

隨擴(kuò)散反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，金屬間化合物Al3Ti相形成后，向內(nèi)滲入的過(guò)量的Al會(huì)沿著Ti顆粒的內(nèi)部微觀缺陷如空位、晶界等向內(nèi)部繼續(xù)擴(kuò)散，由于擴(kuò)散反應(yīng)速度較慢，在某一區(qū)域會(huì)形成Al:Ti原子比接近1∶1的TiAl相，如上述成分定點(diǎn)分析所測(cè)定的pt3處。該TiAl相是相圖上的固有相，但在該反應(yīng)過(guò)程中也可能是特定實(shí)驗(yàn)條件下的過(guò)渡相，如果擴(kuò)散反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，按文獻(xiàn)［9］的分析，Al粉與 Ti粉固相反應(yīng)的產(chǎn)物最終應(yīng)該是Al3Ti，也有文獻(xiàn)［10］指出反應(yīng)會(huì)形成Ti3Al相，這可能與反應(yīng)條件相關(guān)。

2.3 樣品硬度分析

對(duì)不同熱壓燒結(jié)條件獲得的樣品進(jìn)行了硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表可知樣品硬度隨燒結(jié)溫度的增加而增加。當(dāng)燒結(jié)溫度高于570℃時(shí)，樣品的硬度高于73.8HRB。樣品硬度的提高一方面是與基體鋁粉自身的結(jié)合情況相關(guān)。在同等壓力下，燒結(jié)溫度的提高促進(jìn)基體鋁粉間的擴(kuò)散反應(yīng)，使得基體的致密度提高，從而使基體的自身的硬度提高;另一方面是由于擴(kuò)散反應(yīng)形成Al-Ti中間相與基體有很強(qiáng)的結(jié)合［11］。隨溫度的升高，基體Al粉與增強(qiáng)體原始粉體Ti粉擴(kuò)散反應(yīng)速度增加，所形成的中間相具有較高的硬度，同時(shí)所形成的中間相與鋁基體有良好的結(jié)合，在受載荷作用時(shí)有很好的傳載能力，對(duì)基體起到強(qiáng)化的作用，從而提高了樣品的硬度。

表2 不同熱壓燒結(jié)條件樣品的硬度(HRB)

3 結(jié)論

1.利用真空熱壓燒結(jié)方法，通過(guò)控制燒結(jié)條件可以獲得以Al3Ti、TiAl金屬間化合物及Ti為復(fù)合增強(qiáng)體的鋁基復(fù)合材料，增強(qiáng)體與基體結(jié)合良好;

2.燒結(jié)過(guò)程中Al粉與Ti粉發(fā)生互擴(kuò)散反應(yīng)，Al粉與Ti粉首先形成固溶體，而金屬間化合物TiAl及Al3Ti相的形成取決于粉體顆粒大小及溫度、壓力等燒結(jié)條件;

3.制備Ti復(fù)合顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料合理燒結(jié)溫度為600～630℃，溫度超過(guò)650℃會(huì)出現(xiàn)液相。

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