原位Al3Ni顆粒增強(qiáng)A356基復(fù)合材料的顯微組織與耐磨性能研究*

楊　濤，陳　剛,2，史經(jīng)浩，趙玉濤,2，邵靜波，肖　潔，花　程

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇省高端結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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原位Al3Ni顆粒增強(qiáng)A356基復(fù)合材料的顯微組織與耐磨性能研究*

楊濤1，陳剛1,2，史經(jīng)浩1，趙玉濤1,2，邵靜波1，肖潔1，花程1

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇省高端結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要：通過(guò)Al-Ni2O3體系熔體反應(yīng)法制備Al3Ni顆粒增強(qiáng)A356基復(fù)合材料，并研究了材料顯微組織和耐磨性能。結(jié)果表明，Al3Ni顆粒在5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni/A356復(fù)合材料中的形貌為細(xì)小的點(diǎn)狀，在10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni/A356復(fù)合材料中呈不規(guī)則的塊狀和彎曲的條狀，在20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni/A356復(fù)合材料中的形貌為圓球形，其中，5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni/A356復(fù)合材料中，Al3Ni顆粒的尺寸最小。Al3Ni/A356復(fù)合材料的磨損率隨著增強(qiáng)體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少而降低，且所有復(fù)合材料的磨損率均低于A356合金。復(fù)合材料的磨損機(jī)制為磨粒磨損和剝層磨損。

關(guān)鍵詞：Al3Ni；微觀組織；耐磨性能；A356；復(fù)合材料

1引言

金屬間化合物Al3Ni 的硬度高、耐磨性能好、高溫力學(xué)性能出眾[1]，因此Al3Ni顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料受到了廣泛的關(guān)注[2-6]。目前復(fù)合材料制備工藝主要分為外加法和原位反應(yīng)法。原位反應(yīng)法可在基體中直接生成耐磨、耐高溫的增強(qiáng)相，其與基體的界面干凈無(wú)污染、結(jié)合強(qiáng)度高、相容性好。與外加法相比，有效避免了顆粒偏聚、潤(rùn)濕性差以及不良界面反應(yīng)等諸多弊端[7,8]。

Peng Huaxin[9]和Zhu Heguo[7]均將Ni2O3和Al粉壓制成預(yù)制塊，成功制備了Al-Ni金屬間化合物增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。前者利用熔體反應(yīng)法，使用擠壓鑄造制備了Al3Ni顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料，該工藝可以獲得高體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)體；后者在加入高體積分?jǐn)?shù)Ni2O3的條件下，利用真空爐加熱的方法獲得Al2O3和Al3Ni2顆?；旌显鰪?qiáng)Al基復(fù)合材料，該工藝可在最終凝固的基體中保留Al2O3顆粒。

但是兩者制備的材料中，增強(qiáng)體偏聚嚴(yán)重，氣孔、縮松等缺陷多。Ai Yinglu[8]將不同體積比的Ni2O3和Al粉壓制成預(yù)制塊，利用微波合成加熱方法制備出Al3Ni/Al復(fù)合材料。該材料中Al3Ni顆粒分布均勻，尺寸細(xì)小，但是在微波合成的過(guò)程中容易造成熔體過(guò)熱或體系反應(yīng)不完全。而在原位合成法中，Al-Ni2O3體系熔體反應(yīng)法和重力鑄造成型過(guò)程具有加熱溫度準(zhǔn)確、除氣除渣簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可以獲得耐磨性能較好的復(fù)合材料。本文通過(guò)熔體反應(yīng)法，采用Al-Ni2O3體系制備原位Al3Ni顆粒增強(qiáng)A356基復(fù)合材料，研究該材料的顯微組織和耐磨性能。

2實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)用原材料為商用A356鋁合金鑄錠和分析純Ni2O3粉末。根據(jù)反應(yīng)方程式

8Al+Ni2O3→2Al3Ni+Al2O3

按照Al3Ni顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，10%和20%來(lái)計(jì)算所需Ni2O3的質(zhì)量。每種復(fù)合材料使用A356鑄錠300 g，所添加Ni2O3的質(zhì)量依次為8.17，15.11和26.27 g。

將Ni2O3粉末通過(guò)模具壓成直徑為4 cm的預(yù)制塊。A356鑄錠置于井式熔煉爐中熔化，升溫至850 ℃后，將Ni2O3預(yù)制塊壓入熔體，并在850 ℃下保溫10 min。待反應(yīng)結(jié)束后精煉、除渣，降溫至750 ℃澆入銅模。

取一組試樣經(jīng)打磨、拋光后，通過(guò)掃描電鏡(SEM, JEOL-JSM-7001F)觀察試樣微觀組織；另取一組試樣用金相砂紙研磨到1 000目后，通過(guò)球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(UTM-2)進(jìn)行室溫干滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)。用于對(duì)磨的鎢鋼球(HRA 91-93)直徑為4 mm，載荷為10 N，摩擦速度為100 r/min，摩擦?xí)r間為10 min，回轉(zhuǎn)半徑為2.5 mm。采用式(1)計(jì)算磨損體積和磨損率[10]

(1)

式中，Δv為磨損體積，mm3；B為摩擦距離，mm；r為鎢鋼球半徑，mm；b為磨痕寬度，mm；d為滑動(dòng)距離，m；L為載荷，N。

3結(jié)果與討論

3.1Al3Ni顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料顯微組織的影響

圖1為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al3Ni顆粒增強(qiáng)A356基復(fù)合材料的顯微組織圖片。圖2為圖1各點(diǎn)的EDS圖譜。圖3為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Al3Ni/A356復(fù)合材料的XRD圖譜。通過(guò)圖2和3分析發(fā)現(xiàn)，淺灰色顆粒為Al3Ni增強(qiáng)相，其與文獻(xiàn)[11-12]的研究結(jié)果一致。從圖1可以看出，Al3Ni顆粒形貌隨其在基體中含量的不同而變化。圖1(a)中的Al3Ni顆粒呈細(xì)小的點(diǎn)狀，圖1(c)中的Al3Ni顆粒呈不規(guī)則的塊狀和彎曲的條狀，圖1(d)中的Al3Ni顆粒為圓球狀。

圖1不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al3Ni顆粒增強(qiáng)A356基復(fù)合材料的SEM照片

Fig 1 SEM images of A356 alloy matrix composites with different mass fraction of Al3Ni particles

圖2　圖1中各點(diǎn)的EDS圖譜

圖1(a)中的Al3Ni顆粒尺寸最小，從圖1(b)中可以發(fā)現(xiàn)其最小粒徑可達(dá)亞微米級(jí)。這可能是該試樣的Ni含量距離Al-Ni共晶點(diǎn)非常近，Al3Ni相結(jié)晶與生長(zhǎng)的時(shí)間非常短，形核后來(lái)不及長(zhǎng)大，因此生成了尺寸較小的Al3Ni顆粒。此外Al3Ni相分布均勻，這應(yīng)該是熔體反應(yīng)放出大量熱，使熔體的溫度升高，為Al3Ni的均勻化提供了必要條件。研究指出，高溫會(huì)使熔體中原子間距離變大，原子簇?cái)?shù)量增加，熔體結(jié)構(gòu)變得更加均勻和無(wú)序[13]。

圖1(c)中淺灰色不規(guī)則的塊狀相為初生Al3Ni相，淺灰色彎曲的條狀相為共晶Al3Ni相。其顆粒尺寸在所有樣品中最大。共晶Al3Ni相均勻地分布在初生Al3Ni相周圍，這是因?yàn)楣簿l3Ni是小面生長(zhǎng)[14]，液相中的Ni原子依附到其表面較難，因此共晶Al3Ni相的生長(zhǎng)需要大的驅(qū)動(dòng)力和過(guò)冷度。初生Al3Ni相不僅可以作為異質(zhì)形核粒子，還釋放結(jié)晶潛熱，提高其周圍的溫度梯度，為小面生長(zhǎng)的共晶Al3Ni相提供生長(zhǎng)條件。所以最終得到的共晶Al3Ni相均勻分布在初生Al3Ni相周圍。共晶Al3Ni相未長(zhǎng)成針尖狀[15]是因?yàn)锳l-Ni2O3反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成一定量的Al2O3顆粒。這些顆粒增加了熔體的粘度，使Ni原子擴(kuò)散速度變慢，部分共晶Al3Ni生長(zhǎng)受到抑制而沿著已形核晶粒之間的間隙生長(zhǎng)，最終長(zhǎng)成短棒狀或彎曲的條狀。試樣顯微組織中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Al2O3顆粒，這是因?yàn)锳l熔體和Al2O3顆粒的潤(rùn)濕性較差，分散較難，導(dǎo)致Al2O3顆粒隨除渣脫離熔體。

圖1(d)中Al3Ni顆粒的形貌為圓球狀。這是因?yàn)镹i2O3預(yù)制塊被壓入熔體后，Ni2O3預(yù)制塊由外向內(nèi)與Al發(fā)生反應(yīng)。由于反應(yīng)速度遠(yuǎn)大于Ni原子的擴(kuò)散速度，Ni原子在熔體中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)濃度梯度，當(dāng)Ni在其集中的區(qū)域超過(guò)42%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，伴隨反應(yīng)過(guò)程放出的高溫，便會(huì)有Al3Ni2生成，如圖4 Al-Ni相圖所示[16]。凝固的過(guò)程中Al3Ni2會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)[8]，液相和Al3Ni2相的界面處發(fā)生原子交換與擴(kuò)散，菱形的Al3Ni2相失去部分Ni原子，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺芨偷那驙預(yù)l3Ni。與其它研究相比[2, 14]，通過(guò)Al-Ni2O3體系熔體反應(yīng)法制備的5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni/A356

復(fù)合材料的增強(qiáng)體具有較好的形貌和細(xì)小的尺寸。這些特點(diǎn)可以使復(fù)合材料有效避免應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展。

圖320%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Al3Ni/A356復(fù)合材料XRD圖譜

Fig 3 XRD pattern of 20wt% Al3Ni/A356 alloy composite

圖4　Al-Ni二元相圖[16]

3.2耐磨性能

圖5為不同試樣的磨痕SEM圖譜，表1為不同試樣的磨痕寬度、磨損體積和磨損率的對(duì)比。從圖5和表1可以看出，隨著Al3Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，復(fù)合材料的磨痕變寬，磨損率增加。其中含有5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni的復(fù)合材料磨損率比含有10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni的復(fù)合材料降低了65%，比含有20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni的復(fù)合材料降低了83%。本文所制備的Al3Ni/A356復(fù)合材料耐磨性均優(yōu)于鑄態(tài)A356(鑄態(tài)A356磨損率為8.33×10-4mm3/Nm[17])，其中5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni/A356復(fù)合材料的耐磨性能最好。

圖5　不同試樣的磨痕SEM圖片

Table 1 Wear scar width, volume loss and wear rate of different samples

試樣磨痕寬度/mm磨損體積/mm3磨損率(×10-4mm3/Nm)5wt%Al3Ni/A3560.5070.00820.52010wt%Al3Ni/A3560.8050.03392.15920wt%Al3Ni/A3560.9080.04903.122

圖6為不同試樣的磨損表面SEM圖譜。從圖6(a)中可以看出摩擦面較平整，只有少量的顆粒。從圖6(b) 、(c)可見(jiàn)摩擦面上附著有尺寸較小的顆粒，圖6(b)附著的顆粒數(shù)量更少，但出現(xiàn)了基體剝落的現(xiàn)象。結(jié)合圖1中增強(qiáng)體的尺寸，可推測(cè)該顆粒為增強(qiáng)體脫落所形成的磨粒。

3種材料的磨損方式主要為磨粒磨損和剝層磨損。造成圖6不同現(xiàn)象的原因主要是增強(qiáng)體顆粒的形貌和尺寸不同。結(jié)合圖1可知，5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al3Ni/A356復(fù)合材料的增強(qiáng)體顆粒尺寸最小，部分顆粒尺寸處于亞微米級(jí)，其比表面積較大。因此增強(qiáng)體與基體的接觸面積大，結(jié)合強(qiáng)度高。在摩擦?xí)r，Al3Ni增強(qiáng)體不易從基體脫粘，可以有效支撐摩擦副而減少基體的磨損，此外均勻分布的硬質(zhì)Al3Ni顆粒可以減少應(yīng)力集中，阻止微裂紋的拓展[15]。

10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Al3Ni/A356復(fù)合材料與5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Al3Ni/A356復(fù)合材料相比，其增強(qiáng)體顆粒尺寸較大，部分呈彎曲的條狀。在摩擦?xí)r，增強(qiáng)體更容易脫落或因尖角產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂，最后成為磨粒。因此，圖6(b)與圖6(a)相比出現(xiàn)了更多的磨粒。

20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Al3Ni/A356復(fù)合材料的增強(qiáng)體尺寸相對(duì)較大，但是增強(qiáng)體形貌為圓球狀而沒(méi)有尖角，所以圖6(c)中磨粒數(shù)量要比圖6(b)中的小。圖6(c)中出現(xiàn)大塊剝落的基體，則是因?yàn)楫?dāng)顆粒尺寸較大時(shí)，在載荷的作用下，基體和增強(qiáng)體容易從材料表面剝落，導(dǎo)致摩擦面局部出現(xiàn)凹坑[18]。

圖6不同試樣的磨損表面SEM圖譜

Fig 6 SEM images of worn surface

4結(jié)論

(1)利用Al-Ni2O3反應(yīng)體系成功制備了原位Al3Ni顆粒增強(qiáng)A356基復(fù)合材料。含有5%、10%和20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Al3Ni的A356基復(fù)合材料中，Al3Ni的形貌分別為點(diǎn)狀、不規(guī)則塊狀(及條狀)和圓球狀。當(dāng)復(fù)合材料中Al3Ni顆粒為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，其Al3Ni尺寸細(xì)小、形貌規(guī)整。

(2)Al3Ni/A356復(fù)合材料的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和剝層磨損。所制備的復(fù)合材料耐磨性均優(yōu)于A356合金。其中5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Al3Ni/A356復(fù)合材料的磨損率最低，耐磨性能最好。

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Study on the microstructure and wear resistance of in-situ Al3Ni particle >reinforced A356 alloy matrix composites

YANG Tao1, CHEN Gang1,2, SHI Jinghao1, ZHAO Yutao1,2, SHAO Jingbo1,XIAO Jie1, HUA Cheng1

(1 School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. Jiangsu Province Key Laboratory of High-end Structure Materials, Zhenjiang 212013,China)

Abstract：In the present paper, the microstructure and wear resistance of in-situ Al3Ni particle reinforced A356 alloy matrix composites fabricated from Al-Ni2O3 system by melt reaction method have been investigated. The results indicate that the Al3Ni particles in 5wt% Al3Ni/A356 composites are dot-like and small. The Al3Ni particles in 10wt% Al3Ni/A356 composites are block-shaped and strip-shaped, while those in 20wt% Al3Ni/A356 composites are ball-shape. The size of Al3Ni particle in 5wt% Al3Ni/A356 composites is the smallest among all the samples. The wear rate of composites is decreasing with the decreasing mass fraction of Al3Ni phase, and wear rates of all composites are lower than that of A356 alloy. The wear mechanisms of composites are abrasive wear and delamination wear.

Key words:Al3Ni; microstructure; wear resistance; A356; composites

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.027

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG290

作者簡(jiǎn)介：楊濤(1990-)，男(回族)，寧夏銀川人，碩士，師承陳剛教授，從事鋁基復(fù)合材料研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174098); 江蘇省科技支撐資助項(xiàng)目(BE2012135); 江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(2014); 江蘇省重大科技成果轉(zhuǎn)化資助項(xiàng)目(BA2014112); 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20133227110023)

文章編號(hào)：1001-9731(2016)01-01131-05

收到初稿日期：2015-02-03 收到修改稿日期：2015-10-17 通訊作者：陳剛，E-mail: gchen@ujs.edu.cn