廖婷婷，李萌崛，陳德平，江萬勇，陳嘉鑫

成都工業(yè)學院材料與環(huán)境工程學院

1 引言

Al2O3基陶瓷刀具是目前常用的陶瓷刀具之一，具有較高的機械強度和抗氧化性能，但較大的脆性和較低的韌性限制了陶瓷材料的生產(chǎn)與應用[1，2]，而氧化鋁/碳化硅復合材料的補強作用能夠改善其韌性。在此基礎上，有學者發(fā)現(xiàn)添加Co，Ni，Ti等元素能夠進一步提高氧化鋁/碳化硅復合材料的強度和韌性，并且在抗彎強度和抗疲勞強度方面得到進一步提升[3]。

鈷常作為補強型元素用于陶瓷材料中。李燕[4]采用TiN和TiC等陶瓷粉體原材料，以金屬Co作為黏結(jié)劑，制備了Ti(C，N)-Co金屬陶瓷材料。馬來鵬[5]采用包覆不同Co含量的Al2O3和TiC混合粉體在1500℃～1700℃條件下進行熱壓燒結(jié)，新制得復合材料的斷裂韌性和斷裂強度與原復合材料相比分別提高了59%和40%。

在Al2O3/SiC復合陶瓷材料中加入金屬元素Ni屬于顆粒彌散增韌方式。許崇海等[6]發(fā)明了一種添加鎳包覆六方氮化硼納米片復合粉體的自潤滑陶瓷刀具材料，該自潤滑陶瓷刀具材料在燒結(jié)過程中會產(chǎn)生液相，提高了自潤滑陶瓷材料的燒結(jié)致密度，還能對自潤滑陶瓷刀具材料增韌補強，同時兼顧自潤滑陶瓷刀具材料的力學性能和切削性能。

相關研究表明，當金屬顆粒Ti作為第二相添加到陶瓷基體內(nèi)時，不僅可以改善陶瓷的燒結(jié)性能，還能通過多種增韌方式阻礙裂紋的擴展速度(如裂紋的鈍化、橋連、偏轉(zhuǎn)和釘扎等)，從而提高強度[7]。孫蘭等[8]在冷壓成型后燒結(jié)制備了Ti(C，N)基金屬陶瓷，燒結(jié)溫度1300℃，燒結(jié)壓力60MPa，得到性能優(yōu)異的添加石墨烯的Ti(C，N)基金屬陶瓷，且便于大規(guī)模工業(yè)化應用和生產(chǎn)。

本文主要探討向氧化鋁/碳化硅復合材料中分別添加Co，Ni，Ti三種元素的材料力學性能變化規(guī)律，并挑選出最適合的增韌元素。

2 試驗材料與方法

2.1 樣品制備

研究選用高純氧化鋁粉末(純度99.999%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)、加入質(zhì)量分數(shù)為5%的高純碳化硅粉末(純度99.99%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)作為基體材料，并分別加入鈷粉末(純度99.99%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)、鎳粉末(純度99.99%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)和鈦粉末(純度99.99%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)制備復合材料樣品，每種金屬元素的質(zhì)量分數(shù)均設置為10%。制備過程主要采用行星式球磨(轉(zhuǎn)速250r/min，時間5h)，將粉體混合均勻后進行真空熱壓燒結(jié)(1400℃，20MPa，保溫30min)，分別制備得到摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復合材料。

2.2 材料性能測試

采用TD-3500 X射線衍射儀對制得的復合材料進行物相分析，掃描速度為6°/min，掃描范圍為30°～130°，步寬角度為0.04°，采樣時間為0.4s。

通過Archimedes排水法，采用DH-300直讀式電子比重計測量陶瓷材料密度，并結(jié)合理論密度計算其相對密度 (致密度)，其計算公式為

ρ=ρ實/ρ理

使用HXD-100TM/LCD維氏顯微硬度計測量維氏硬度。通過三點彎曲法以及WDW-2.0萬能試驗機測試抗彎強度，試樣尺寸為30mm×4mm×3mm，設定試驗機的橫梁速率為5mm/min，彎曲強度的計算公式為

σ=3FL/2bd2

式中，L為夾具的下跨距；b為試樣的寬度，b=4mm；d為試樣的高度，d=3mm。

采用ZEISS Gemini 300掃描電子顯微鏡對彎曲試樣的斷口截面進行顯微圖像表征。

采用壓痕法測試材料的斷裂韌性，Anstis推導的壓痕法測試公式為

式中，KIC為斷裂韌性；β為測試常數(shù)，β=0.016；E為材料的楊氏模量(GPa)；H為材料的維氏硬度(GPa)；F為維氏硬度壓痕的作用載荷(N)；C為平均壓痕裂紋半徑(mm)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 XRD圖譜分析

如圖1所示，摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復合材料的大部分峰位與純氧化鋁的峰位對應。在復合材料中，由于碳化硅會以化合物的形式存在，XRD沒有識別[9]。當加入Co元素后，在45位處有對應CoSi峰位。當加入Ni元素后，在45位處由Ni的峰位。當加入Ti元素后，在42和60處明顯出現(xiàn)峰位，對應著TiC或TiO2的峰位。當加入Co元素后，在45位處有對應的CoSi峰位；當加入Ni元素后，在45位處有Ni的峰位；當加入Ti元素后，在42和60位處明顯出現(xiàn)峰位，對應TiC或TiO2的峰位。

圖1 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復合材料XRD圖譜

在李德芃[10]制備的金屬陶瓷刀具中，45峰位的Co元素和50峰位的Ni元素與本研究吻合。高強等[11]制備的Ni/Ti2AlC復合材料中，也在45峰位發(fā)現(xiàn)了Ni特征峰位。李祥龍等[12]制備的c-BN增強(Ti，W)C基復合金屬陶瓷刀具材料，在62峰位處發(fā)現(xiàn)了TiC化合物特征峰。姜龍凱等[13]制備的TiC基復合陶瓷刀具材料，在42和60位處出現(xiàn)明顯TiC峰位。

3.2 成分分析

圖2分別為摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復合材料能譜儀(EDS)成分分析。

(a)Al2O3/SiC-Co

(b)Al2O3/SiC-Ni

(c)Al2O3/SiC-Ti

3.3 致密度

由文獻可知，氧化鋁的理論密度為3.6g/cm3，碳化硅的理論密度為3.2g/cm3[14]，計算出含5%碳化硅的氧化鋁復合材料的理論密度為3.58g/cm3。同理計算出摻Co，Ni，Ti的復合材料的理論密度后，分別可得各復合材料的致密度值(見圖3)。

圖3 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復合材料的致密度

由圖可以看出，氧化鋁/碳化硅復合材料的致密度為95.24%，添加Co，Ni，Ti后，復合材料致密度分別為95.98%，95.82%，96.19%?？梢园l(fā)現(xiàn)，摻金屬元素的復合材料的致密度略高于氧化鋁/碳化硅，這是由于金屬的加入填充了氧化鋁和碳化硅晶體之間的間隙，減少了晶粒間缺陷，從而提高了復合材料的致密度。

3.4 硬度分析

由圖4可知，氧化鋁/碳化硅復合材料的維氏硬度為5.81GPa，摻Co、摻Ni、摻Ti材料的維氏硬度分別為5.64GPa，7.39GPa，8.29GPa。與氧化鋁/碳化硅復合材料相比，添加Co元素后，復合材料的硬度沒有明顯變化；添加Ni元素和Ti元素后，其硬度有顯著提升。

圖4 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復合材料硬度

3.5 彎曲強度分析

如圖5所示，當不加入任何金屬相元素時，氧化鋁/碳化硅材料的彎曲強度在366MPa左右；當加入質(zhì)量分數(shù)為10%的Co時，所得材料的彎曲強度在389MPa左右；當加入質(zhì)量分數(shù)為10%的Ni時，所得材料的彎曲強度在871MPa左右；當加入質(zhì)量分數(shù)為10%的Ti時，所得材料的彎曲強度接近988MPa。可以發(fā)現(xiàn)，加入Co元素和Ti元素后，其抗彎強度比Al2O3/SiC復合材料(不添加金屬元素)有顯著提升，這與硬度測試的結(jié)果是一致的。其中，摻Ti的Al2O3/SiC復合材料硬度和彎曲強度的提升幅度均最大。

圖5 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復合材料彎曲強度

3.6 斷口形貌分析

由圖6可以看到，在氧化鋁/碳化硅復合材料中(不添加金屬元素時)存在明顯具有方向性的長條狀柱狀晶；在摻有Co的斷口形貌中柱狀晶明顯減少，晶粒較為均勻；而在摻Ni和Ti的氧化鋁/碳化硅中有更小的晶粒，且有明顯方向性排布，斷口圖中有明顯的晶粒拔出空洞。說明隨著金屬元素的添加，晶粒長大受到了抑制，起到細化晶粒的作用，同時，當裂紋擴展過程中遇到偏轉(zhuǎn)劑或橋聯(lián)劑時，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)或互鎖，且顆粒被拔出基體時，金屬粒子可作為偏轉(zhuǎn)劑和橋聯(lián)劑，從而達到補強增韌的作用[15]。

(a)Al2O3/SiC

(b)Al2O3/SiC-Co

(c)Al2O3/SiC-Ni (d)Al2O3/SiC-Ti

3.7 斷裂韌性分析

圖7為摻Co，Ni，Ti元素后復合材料的斷裂韌性?？梢钥闯?，氧化鋁/碳化硅復合材料的斷裂韌性為6.63MPa·m1/2，當添加鈷、鎳、鈦后，復合材料的斷裂韌性分別增加到7.75MPa·m1/2，7.9MPa·m1/2，8.9MPa·m1/2，與不添加金屬元素的復合材料相比，添加鈷、鎳、鈦能夠顯著增強斷裂韌性。此結(jié)果與文獻[16，17]的研究結(jié)果一致，金屬相第二顆粒的加入能抑制細化晶粒，增強晶界強度，且能與材料中的物質(zhì)發(fā)生反應，從而提高材料致密度，增強材料的力學性能[16，17]。同時，斷裂韌性的分析結(jié)果也與硬度、彎曲強度和斷口形貌結(jié)果一致。

圖7 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復合材料斷裂韌性

4 結(jié)語

本文通過采用真空熱壓燒結(jié)的方式，制備了摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復合材料，通過試驗研究得出以下結(jié)論：

(1)摻入Co，Ni，Ti后，復合材料的硬度提升到5.64GPa，7.39GPa，8.29GPa，復合材料的彎曲強度提升到389.2MPa，871.3MPa，987.5MPa，復合材料的斷裂韌性提高到7.75MPa·m1/2，7.9MPa·m1/2，8.9MPa·m1/2。

(2)添加Co，Ni，Ti三種金屬元素后，均能對復合材料起到補強增韌作用，其中摻Ti的補強增韌效果最好。