鄧均+宋言紅

摘要：通過控制供料速率，采用自懸浮定向流法和真空熱壓技術(shù)制得了不同晶粒尺寸的納米晶A1塊體。通過x射線衍射分析，掃描電鏡分析和顯微硬度測試研究了塊體的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明：通過改變自懸浮定向流技術(shù)的供料速率和熱壓溫度均可調(diào)控納米晶A1塊體的晶粒尺寸，但前者的作用更明顯，這是因?yàn)榧{米A1顆粒表面的氧化層增加了塊體的熱穩(wěn)定性。納米晶Al塊體的顯微硬度和晶粒尺寸呈現(xiàn)出正的Hall-Petch關(guān)系。

關(guān)鍵詞：供料速率；自懸浮定向流法；真空熱壓；

Hall-Petch關(guān)系

中圖分類號(hào)：TGl46.21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3024（2016）09-184-02

前言

由于在許多方面表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，近幾十年來納米晶材料一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。盡管目前已有各式各樣的納米材料的制備方法，但成本和產(chǎn)量仍然是限制納米材料廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。自懸浮定向流法是最近發(fā)展起來的一種較為高效的納米粉末的制備方法，其可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)量較高，并可制備絕大多數(shù)金屬及合金的納米粉末。真空熱壓是一種有效的粉末固結(jié)技術(shù)。結(jié)合自懸浮定向流法和真空熱壓技術(shù)，目前已制備出了高質(zhì)量的Al、Cu、Fe、Ti、TiAl、CttAl等納米晶金屬及合金。

晶粒尺寸是影響納米晶材料性能最重要的因素。然而，目前還沒有系統(tǒng)的討論調(diào)控自懸浮定向流一真空熱壓過程的晶粒尺寸的報(bào)道。本文通過控制自懸浮定向流技術(shù)的供料速率制得了不同晶粒尺寸的納米晶Al塊體，并研究了其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

1.實(shí)驗(yàn)方法

通過自懸浮定向流技術(shù)，分別采用0.7、1.4、2.1g/h的供料速率制備納米Al粉末。然后將制得的納米粉末在設(shè)備上進(jìn)行熱壓處理。壓室內(nèi)真空度保持在1.5x10^-3pa以下，熱壓溫度Tp為450°C，熱壓壓力P為555MPa，熱壓時(shí)間t為60min。

利用PhilipsXPertPRO型x射線衍射儀，測定樣品的XRD衍射譜線。通過Williams-Hall方法分析樣品的晶粒尺寸和微觀應(yīng)變。

通過FEI Sirion 200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行塊體樣品斷口的微觀形貌觀測和微區(qū)成分的能譜分析（EDS）。用MVD-1000D1型維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測試，測試中負(fù)載時(shí)間為15s，測試載荷0.5kg，每個(gè)樣品的顯微硬度均取5個(gè)點(diǎn)計(jì)算平均值。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1納米Al粉末的表征

從圖3-1中可以看出，不同供料速率制得的納米A1粉末中均有較大和較小的顆粒存在，很難直接分辨出不同供料速率制得的粉末的粒徑差別。

圖3—1不同供料速率制得的納米A1粉的XRD圖譜（a）

0.7，（b）1.4，（c）2.1g，h

從圖3-2（a）中可以看出，制備過程中沒有引入XRD可分辨的雜質(zhì)相。與粗晶Al相比，納米Al粉末的XRD衍射峰峰形變寬，峰強(qiáng)變?nèi)?，表明其晶粒發(fā)生了細(xì)化。圖3-2（b）是根據(jù)XRD圖譜，通過Scherrer公式估算的納米Al粉末的晶粒尺寸，可見，隨供料速率增大，粉末的平均晶粒尺寸增大。

2.2納米晶Al塊體的微觀結(jié)構(gòu)

從3-3（a）可以看出熱壓過程沒有引入XRD可分辨的雜質(zhì)相。圖3-3（b）是根據(jù)塊體的XRD圖譜，通過Williams-Hall方法計(jì)算得到的晶粒尺寸和微觀應(yīng)變?？梢钥闯觯S供料速率增大，粉末的平均晶粒尺寸增大，納米晶A1塊體的平均晶粒尺寸也明顯增大。溫度是影響材料晶粒尺寸最重要的因素之一，然而之前的研究發(fā)現(xiàn)，熱壓溫度小于500°C時(shí)，采用不同溫度熱壓的納米晶Al塊體的晶粒尺寸相差很小，熱壓溫度大于500°C時(shí)，塊體的晶粒尺寸也僅略有增長。可見，通過控制供料速率更能有效的調(diào)控納米晶Al塊體的晶粒尺寸，這主要是因?yàn)榧{米Al顆粒表面的氧化層增加了塊體的熱穩(wěn)定性。

塊體的平均晶粒尺寸相比于粉末平均晶粒尺寸略有增大，但沒有發(fā)生明顯的異常長大現(xiàn)象，各塊體均保持了納米晶結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)榧訜釛l件下，多晶顆粒內(nèi)位錯(cuò)和晶界運(yùn)動(dòng)造成了多晶顆粒內(nèi)晶粒的長大，然而由于顆粒表面連續(xù)致密氧化層的阻礙作用，晶界很難跨過氧化層進(jìn)一步造成晶粒長大，所以各塊體平均晶粒尺寸相比粉末略有長大而仍然保持納米晶結(jié)構(gòu)。

2.3納米晶Al的顯微硬度

由圖3-4可以看出，各塊體的顯微硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粗晶A1的顯微硬度（0.27GPa），達(dá)到了粗晶Al顯微硬度的8～10倍，且隨塊體平均晶粒尺寸的增大，納米晶Al的顯微硬度增大，即基本服從一種正的Hall-Petch關(guān)系。已有研究表明，晶粒尺寸D從粗晶降到納米級(jí)，Al表相出三種模式的Hall-Petch關(guān)系，即D>約70nm時(shí)，D和強(qiáng)度遵循Hall-Petch關(guān)系；當(dāng)約70nm>D>約40nm時(shí)，其強(qiáng)度在原Hall-Perch關(guān)系基礎(chǔ)上出現(xiàn)正偏移；當(dāng)D<約40nm，D和強(qiáng)度表現(xiàn)出反Hall-Petch關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)各塊體的晶粒尺寸均大于40nm，塊體顯微硬度隨晶粒尺寸減小而增大，這與現(xiàn)有文獻(xiàn)研究結(jié)論相一致。

3.結(jié)論

通過控制供料速率，采用自懸浮定向流法和真空熱壓技術(shù)制得了不同晶粒尺寸的納米晶Al塊體并研究了其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。供料速率越小，粉末和塊體的平均晶粒尺寸也越小。通過改變自懸浮定向流技術(shù)的供料速率和熱壓溫度均可調(diào)控納米晶A1塊體的晶粒尺寸，但前者的作用更明顯，這是因?yàn)榧{米Al顆粒表面的氧化層增加了塊體的熱穩(wěn)定性。納米晶Al塊體的顯微硬度和晶粒尺寸呈現(xiàn)出正的Hall-Petch關(guān)系。