孫騫，李喜坤，劉鳳國(guó)，黃軼文

（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）

復(fù)合材料（也稱為組合物材料）是一種先進(jìn)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(shí)具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，產(chǎn)生與單個(gè)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(qiáng)度高，剪切強(qiáng)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(qiáng)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ΑＴ诠に嚻沸袠I(yè)中，使用的是氮化鈦，主要是用來(lái)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(duì)樣品進(jìn)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(duì)燒結(jié)產(chǎn)品進(jìn)行了成分分析，利用 SEM 和EDS 技術(shù)對(duì)其微觀組織進(jìn)行了研究。柳三成[3]等使用熔鑄法來(lái)制備氮化鈦增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，采用SEM、 EDS 技術(shù)對(duì)其顯微組織及成分進(jìn)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(zhǎng)條，其硬度和機(jī)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(jìn)行這方面的研究[4-14]。

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

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與方法

本試驗(yàn)中Al 粉和TiN 粉是主要的實(shí)驗(yàn)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(gè)步驟。

1）粉末混合。采用Al 粉作為原料，TiN 粉作為強(qiáng)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(jī)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(lái)，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(jìn)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(yàn)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(hào)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(cè)定試樣的顯微硬度。

2 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(diǎn)，黃色斑點(diǎn)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(shì)。當(dāng)加入的增強(qiáng)相TiN 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，TiN 顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象變得明顯，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，團(tuán)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(méi)有團(tuán)聚現(xiàn)象。為驗(yàn)證黃色斑點(diǎn)為T(mén)iN，對(duì)加入不同TiN 含量的TiN/Al 基復(fù)合材料進(jìn)行XRD 掃描分析，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可見(jiàn)，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TiN為副峰，其衍射峰皆相對(duì)較強(qiáng)。由XRD 圖可分析出主峰為Al，副峰為T(mén)iN，36.9°、42.8°、62.2°、74.5°分別對(duì)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(duì)應(yīng)的衍射角，說(shuō)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(cè)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(jì)。將試樣的表面用240～2 000 目的砂紙和金剛石磨盤(pán)打磨后拋光。超微載荷顯微硬度計(jì)的參數(shù)為室溫下施加載荷300 gf，保持時(shí)間為15 s。通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行硬度測(cè)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(gè)點(diǎn)的平均硬度，試樣的維氏硬度隨增強(qiáng)相TiN 含量的變化曲線如圖3 所示。隨著增強(qiáng)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(shí)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(qiáng)相下的維氏硬度值

對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的TiN/Al 基復(fù)合材料進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，得到結(jié)果與純鋁維氏硬度進(jìn)行對(duì)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(shí)硬度達(dá)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(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn)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(cuò)移動(dòng)，從而發(fā)揮增強(qiáng)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(guò)對(duì)不同成分的材料在常溫下的拉伸試驗(yàn)，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(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度小于各質(zhì)量分?jǐn)?shù)氮化鈦增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的氮化鈦增強(qiáng)鋁復(fù)合材料抗拉強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度相較純鋁基體材料分別提高了4.94%、7.68%、18.99%。這說(shuō)明氮化鈦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(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表4 抗拉強(qiáng)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(gè)指標(biāo)。用霍洛蒙公式（1）求取應(yīng)力強(qiáng)化指標(biāo)n。

式中：S—真實(shí)應(yīng)力；

ε—真實(shí)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(qiáng)相顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，主要分布在基體的晶粒周?chē)?/p>

3）與加入其他含量的增強(qiáng)相TiN 的復(fù)合材料相比，氮化鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)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(qiáng)鋁基復(fù)合材料抗拉強(qiáng)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(shí)提升效果最明顯，抗拉強(qiáng)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。