孫騫，李喜坤，劉鳳國，黃軼文

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

復(fù)合材料（也稱為組合物材料）是一種先進的材料形式，由兩種或兩種以上的組成材料組成，在結(jié)合時具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，產(chǎn)生與單個組成材料具有不同特性的材料。目前，鋁合金作為一種新型的復(fù)合材料，其質(zhì)量輕，比強度高，剪切強度高，熱膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱性高，耐磨性好。TiN 在 TiN/Al 基體中具有高強度、高硬度、耐磨損、耐酸堿、耐高溫等性能。另外，由于其優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，在高溫結(jié)構(gòu)材料、耐腐蝕等方面都有較大的發(fā)展?jié)摿?。在工藝品行業(yè)中，使用的是氮化鈦，主要是用來涂表殼。鋁是一種輕的銀白色基體，其重量輕，易于拋光，不易生銹，導(dǎo)電性好，塑性高，導(dǎo)熱性能好。梁寶巖[1]等利用2Ti/2Al/3TiN 粉末經(jīng)反應(yīng)熱壓燒結(jié)而成，利用XRD、FE-SEM 和 EDS 對樣品進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，在1 350 ℃下，保溫2 h，在30 MPa 的壓力下可以獲得組織細(xì)小、致密的Ti2AlN-TiN 復(fù)合材料。嚴(yán)明[2]等以Ti2AlN 為原料，將Ti2AlN 在原位熱壓和放電等離子燒結(jié)中制備出Ti2AlN/TiN。利用XRD 對燒結(jié)產(chǎn)品進行了成分分析，利用 SEM 和EDS 技術(shù)對其微觀組織進行了研究。柳三成[3]等使用熔鑄法來制備氮化鈦增強鋁基復(fù)合材料，采用SEM、 EDS 技術(shù)對其顯微組織及成分進行了研究。結(jié)果顯示，采用熔鑄工藝制備的 TiN 可以在鋁基體中均勻分布，并隨 TiN 含量的增大，使其從不規(guī)則的形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)整的長條，其硬度和機械性能隨TiN 含量的增大而逐步增大。由于其具有廣闊的應(yīng)用前景，所以很多學(xué)者都在進行這方面的研究[4-14]。

本文以氮化鈦增強鋁基復(fù)合材料為研究對象，研究了 TiN 的含量變化對其顯微結(jié)構(gòu)的影響，確定最優(yōu)的配料方案。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與方法

本試驗中Al 粉和TiN 粉是主要的實驗原料，其相關(guān)信息如表1 所示。

表1 原料粉體的相關(guān)信息

表2 燒結(jié)參數(shù)

TiN/Al 基復(fù)合材料的制備可分為兩個步驟。

1）粉末混合。采用Al 粉作為原料，TiN 粉作為強化相。選取 ZrO2球作為磨球，按照原料、球的質(zhì)量比為1∶7 添加磨球，最后將球和各種粉體原料放入塑料瓶中，在三維混料機上球磨混料14 h，轉(zhuǎn)速為40 r·min-1?；炝贤瓿珊髮⒎垠w再篩分出來，裝入樣品瓶中以備燒結(jié)。

2）熱壓燒結(jié)。稱取一定質(zhì)量原料粉末倒入石墨模具中，為了防止粘模，需在模具與粉末接觸處放入一定厚度的石墨紙。最后，將模具放置在真空鉬絲熱壓爐中，調(diào)整工藝參數(shù)后進行燒結(jié)。燒結(jié)參數(shù)的相關(guān)信息如表 2 所示。待燒結(jié)完成后，等待自然冷卻。

1.2 試驗表征

采用X 射線衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分別研究燒結(jié)試樣的相組成與含量、微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分。所用X 射線衍射儀（UltimaⅣ，2036E102，日本）掃描速度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（Hitachi S-3400N， 日本）加速電壓為20 kV。能譜儀型號為Phoenix，EDAX，USA。采用數(shù)顯顯微硬度儀（MH-500，上海恒一精密儀器有限公司）測定試樣的顯微硬度。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料顯微組織觀察

純Al 以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%的TiN/Al 基復(fù)合材料的光學(xué)金相顯微鏡下顯微組織圖如圖1 所示。

圖1 不同含量增強相下TiN/Al 基復(fù)合材料的500 倍金相圖

從圖中1 可以看出，純Al 的晶界比較清晰，組織分布也比較均勻，TiN 加入后，復(fù)合材料出現(xiàn)組織分布不均勻現(xiàn)象，并且在晶粒與晶界處出現(xiàn)黃色斑點，黃色斑點隨著TiN 含量的增加而增大。在晶界處，TiN 粒子的大小隨 TiN 的加入而增大，并且在 TiN 的加入下有聚集的趨勢。當(dāng)加入的增強相TiN 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到10%時，TiN 顆粒的團聚現(xiàn)象變得明顯，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到20%時，團聚現(xiàn)象變得更加明顯，分布不是那么均勻，相較于其他含量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的復(fù)合材料中的TiN 分布更為均勻，沒有團聚現(xiàn)象。為驗證黃色斑點為TiN，對加入不同TiN 含量的TiN/Al 基復(fù)合材料進行XRD 掃描分析，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可見，燒結(jié)產(chǎn)物中存在兩種晶相，純Al 為主晶相，同時含有一定的TiN為副峰，其衍射峰皆相對較強。由XRD 圖可分析出主峰為Al，副峰為TiN，36.9°、42.8°、62.2°、74.5°分別對應(yīng)PDF#87-0630 中的（111）、（200）、（220）、（311）晶面，38.9°、45.2°、65.5°、78.6°、82.9°是Al 的特征峰所對應(yīng)的衍射角，說明以Al 和TiN 為原料在上述燒結(jié)條件下可合成含一定雜質(zhì)相的TiN/Al 基復(fù)合材料。

圖2 以Al/TiN 為原料燒結(jié)試樣的XRD 圖譜

2.2 硬度測試

將燒結(jié)后的試樣線切割，使尺寸適合超微載荷顯微硬度計。將試樣的表面用240～2 000 目的砂紙和金剛石磨盤打磨后拋光。超微載荷顯微硬度計的參數(shù)為室溫下施加載荷300 gf，保持時間為15 s。通過對樣品進行硬度測試，結(jié)果表明，由于樣品的表面形貌和顆粒尺寸存在差異，導(dǎo)致了各樣品在不同部位的硬度值差異很大，有些樣品的硬度高，有些則較低，所以取5 個點的平均硬度，試樣的維氏硬度隨增強相TiN 含量的變化曲線如圖3 所示。隨著增強相TiN 含量的提高，維氏硬度有所升高。根據(jù)XRD 的數(shù)據(jù)分析，在燒結(jié)溫度610 ℃下加入的TiN 的含量逐漸升高，故加熱溫度為610 ℃時TiN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的試件的硬度最高。

圖3 不同含量的增強相下的維氏硬度值

對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TiN/Al 基復(fù)合材料進行維氏硬度測試，得到結(jié)果與純鋁維氏硬度進行對比，如表3 所示。

表3 維氏硬度

由圖3 可以看出，TiN 的加入使復(fù)合材料硬度提高，均大于純鋁基體材料；隨著TiN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的維氏硬度一直上升，在10%～15%之間硬度提升速度比較快，在TiN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時硬度達到最大，相較純鋁基體材料提高了39.2%。

TiN 提高了純鋁的硬度，這是由于TiN 本身具有高強度、高硬度的特點以及良好的力學(xué)性能；TiN能與基質(zhì)發(fā)生相互作用，阻止在晶體邊界上的位錯移動，從而發(fā)揮增強的功能，隨著TiN 含量的增加，阻礙作用愈加明顯，從而使材料維氏硬度提高。

2.3 拉伸性能影響

通過對不同成分的材料在常溫下的拉伸試驗，得出了相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4 所示。各質(zhì)量分?jǐn)?shù)氮化鈦增強鋁基復(fù)合材料的抗拉強度如表4 所示。從表4 中數(shù)據(jù)可以看出，純鋁基體材料抗拉強度小于各質(zhì)量分?jǐn)?shù)氮化鈦增強鋁基復(fù)合材料；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的氮化鈦增強鋁復(fù)合材料抗拉強度最大，從128.20 MPa 提高到158.20 MPa，提高了23.40%；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、20%的氮化鈦增強復(fù)合材料抗拉強度相較純鋁基體材料分別提高了4.94%、7.68%、18.99%。這說明氮化鈦的加入提高了純鋁基體的抗拉強度，抗拉強度提高量隨著氮化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先上升后下降。

圖4 復(fù)合材料拉伸實驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表4 抗拉強度

拉伸變形-應(yīng)變-硬度指數(shù)是反映金屬材料在一定程度上抵抗均勻塑性變形的一個指標(biāo)。用霍洛蒙公式（1）求取應(yīng)力強化指標(biāo)n。

式中：S—真實應(yīng)力；

ε—真實應(yīng)變；

K—硬化系數(shù)；

n—應(yīng)變硬化指數(shù)。

3 結(jié) 論

1）采用粉末冶金法，以Al/TiN 為原料可制備TiN/Al 基復(fù)合材料。

2）隨著TiN 的增多，增強相顆粒發(fā)生團聚現(xiàn)象，主要分布在基體的晶粒周圍。

3）與加入其他含量的增強相TiN 的復(fù)合材料相比，氮化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時的TiN/Al 基復(fù)合材料的硬度較高，維氏硬度值為76.3 HV，相較于純鋁的維氏硬度提高了39.2%。

4）氮化鈦增強鋁基復(fù)合材料抗拉強度較基體材料均有提升，提升效果隨著氮化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高先增加后降低，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時提升效果最明顯，抗拉強度比純鋁基體材料提高了23.40%；氮化鈦的加入提高了復(fù)合材料的應(yīng)變硬化指數(shù)n。