氧化鋁增強鋁基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)與性能研究

余小紅，魏鵬飛，李 堯，童幸生，薛 平

（江漢大學(xué) 機電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

航空航天工業(yè)的發(fā)展要求新型材料具備高比強度、輕量化等優(yōu)良性能，這種需求不斷推動金屬基復(fù)合材料的發(fā)展［1-3］。其中鋁基復(fù)合材料性能優(yōu)異，具備密度小、高比強度和比剛度、高屈服強度、高彈性模量、高抗疲勞性能和蠕變抗力、高耐磨性、高阻尼減振能力、低熱膨脹率和成本低等優(yōu)點，從而得到了廣泛關(guān)注［4-6］。而Al2O3是除SiC外使用最多的一種增強顆粒［7-8］。目前關(guān)于Al2O3的粒徑大小、添加量、燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力對鋁基復(fù)合材料性能影響的研究有較多的報道［9-15］，得出了以下結(jié)論：適當減小Al2O3的粒徑、提高燒結(jié)溫度和壓力，有利于材料致密化程度和力學(xué)性能的提高。但對于Al2O3添加量的研究還存在爭議。鄭劉斌［9］研究發(fā)現(xiàn)，隨著Al2O3添加量的增加，復(fù)合材料的相對密度逐漸降低；而周健［10］的研究結(jié)果顯示，隨著Al2O3添加量的增加，復(fù)合材料硬度提高；范濤等［11］的研究結(jié)果則是，Al2O3質(zhì)量分數(shù)由5%增加到15%，每次增加5%，試樣磨損量先降低至最低點，隨后升高，試樣磨損量在Al2O3顆粒含量為10%時達到最小值。鑒于此，本課題通過粉末冶金法制備了質(zhì)量百分數(shù)分別為1%、2%、3%、4%和5%的Al2O3增強鋁基復(fù)合材料，結(jié)合X射線衍射、金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡，分析了微結(jié)構(gòu)與微形貌對復(fù)合材料硬度的影響。

1 試驗材料和方法

采用的原材料中的增強相是平均粒徑為30 nm、純度為99.99%的α-Al2O3顆粒；基體相是平均粒徑為40 μm、純度為99.9%的鋁粉。從前期試驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在球磨機、真空熱壓燒結(jié)爐和熱壓石墨模具的使用限度之內(nèi)，當球磨轉(zhuǎn)速為300 r∕min、球磨時間為24 h、磨球比為1∶2∶4（球徑分別為12.5、10和8 mm）、燒結(jié)溫度為400℃、燒結(jié)壓力為50 MPa時，復(fù)合材料的相對密度和硬度最高。本實驗采用以上最佳工藝參數(shù)，按照一定配比稱量Al2O3和鋁粉，以無水乙醇作為分散劑，選擇鋼球為球磨介質(zhì)在GQM-5-2型球磨機上球磨24 h，使原料混合均勻。然后將混合均勻的粉料在CXT2-50-18Y型真空熱壓燒結(jié)爐中熱壓燒結(jié)成Ф30 mm、高8～12 mm的圓柱形樣品。

利用排水法測試試樣的密度；通過HVS-1000S型維氏硬度計測試試樣的硬度，采用3點求平均法，所加載荷為0.980 7 N，加載持續(xù)時間為10 s；通過X′Pert Powder型X-射線衍射儀對樣品的微結(jié)構(gòu)進行測試；將制得的試樣經(jīng)過磨制拋光后用6%的硝酸水溶液侵蝕5 s，在立式雙目DMI5000M型金相顯微鏡下觀察組織；并在SU8010型掃描電子顯微鏡上進一步觀察組織，并進行EDS成分分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 相對密度分析

表1為試樣的實際密度、理論密度和相對密度。其中實際密度是用排水法測得，理論密度為按照復(fù)合材料配比計算的密度，相對密度為兩者之比值。相對密度與復(fù)合材料的致密化程度相關(guān)，相對密度越大，材料實際密度與理論密度比值越接近1，致密性也就越好。

表1 各組分試樣的實際密度、理論密度和相對密度Tab.1 Actual density，theoretical density and relative density of different samples

從表1中可以看到，試樣的實際密度要小于其理論密度，這是因為粉末冶金材料試樣在熱壓制備過程中，粉末顆粒之間必然存在間隙，同時Al2O3顆粒是脆性材料，不易發(fā)生塑性變形，其對鋁粉的燒結(jié)有很強的抑制作用，提高了基體擴散的起始位能，使體積擴散難以啟動，阻礙了粉末顆粒間的空位流動，延緩了燒結(jié)頸的長大。另外，由表1可知，隨著Al2O3顆粒的增加，相對密度逐漸減小，但下降的數(shù)值較小，這說明材料的致密性隨著Al2O3添加量的增加有輕微下降，復(fù)合材料的相對密度受添加量的影響較小。因為在燒結(jié)過程中，粉末顆粒在高溫高壓下會發(fā)生液化，當重新固化時，會形成緊密的結(jié)合。且Al2O3∕Al復(fù)合材料在燒結(jié)過程中充當液相的是Al顆粒，據(jù)此可以認為，Al2O3添加量的增加，反過來是Al比例的減少，從而燒結(jié)過程中液相減少，導(dǎo)致材料相對密度降低［16］。

2.2 硬度分析

表2為Al2O3添加量不同時復(fù)合材料的硬度值。由表2可知，在溫度、壓力和其他工藝參數(shù)等條件不變的情況下，隨著Al2O3的加入，復(fù)合材料的硬度較純Al均有所增加。當Al2O3含量為0～2%時，隨著Al2O3含量的增加，復(fù)合材料的硬度逐漸增加，這是因為Al2O3分散于Al基體中，起到彌散增強的作用；而當Al2O3含量為2%～5%時，隨著Al2O3含量的增加，復(fù)合材料硬度降低，這是因為Al2O3顆粒是脆性材料，不易發(fā)生塑性變形，而且還阻礙Al基體塑性變形，另外，Al2O3顆粒含量多時，容易發(fā)生聚集，這樣在壓力下燒結(jié)時，就容易形成孔洞和缺陷，造成復(fù)合材料硬度降低［17］。當Al2O3含量為2%時，復(fù)合材料的硬度最高，達到了38.7 HV，相比較純鋁的25.3 HV，硬度提高約53%，這與Al2O3的彌散增強作用有關(guān)。

表2 不同Al2O3添加量復(fù)合材料的維氏硬度Tab.2 Vickers hardness of composites with different alumina content

2.3 XRD圖譜分析

測試復(fù)合材料的硬度，Al2O3添加量為2%時，材料硬度最高，4%時的硬度下降很大，所以對這兩組復(fù)合材料進行XRD測試。由圖1可知，當Al2O3添加量分別為2%和4%時，試樣在2θ為38.44°、45.90°、65.18°、78.30°、82.35°處均出現(xiàn)明顯衍射峰，與PDF標準卡片比較，分別與Al的（111）、（200）、（220）、（311）、（222）晶面衍射峰對應(yīng)一致，表明試樣成分中包含Al；而圖譜中沒有出現(xiàn)Al2O3的衍射峰，分析原因是復(fù)合材料中加入的Al2O3顆粒較少，只有2%和4%，超出儀器測量精度范圍。通過Jade軟件計算試樣的晶粒度可知：Al2O3含量為2%時，Al的晶粒度為3.982 3 nm；Al2O3含量為4%時，Al的晶粒度為4.076 1 nm。由此可知，Al2O3的添加能有效細化Al基體的晶粒，當Al2O3含量為2%時，Al基體的晶粒度較Al2O3含量為4%時更小，由于細晶強化作用，其硬度、強度等性能也更好。這與以上硬度測試結(jié)果對應(yīng)一致。

圖1 復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of composites

2.4 金相組織分析

圖2為試樣的金相組織圖，其中（a）、（b）是Al2O3添加量為2%時，分別放大了100倍和500倍的金相顯微組織圖片；（c）、（d）是Al2O3添加量為4%時，分別放大了100倍和500倍的金相顯微組織圖片。由圖2（a）中清晰地看到試樣的晶粒細小，約為20 μm。通過圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)銀白色Al基體上均勻分布著的Al2O3白色顆粒，且分散均勻，試樣致密性較好。由圖2（c）和圖2（d）可以清晰地看到試樣表面晶粒大小約為30 μm，并分布有一些黑色顆粒團，這是由于晶間腐蝕造成的。

2.5 SEM圖譜分析

根據(jù)測試的復(fù)合材料的硬度，Al2O3添加量為2%時，材料的硬度最高，故選用該試樣進行SEM觀察，并做EDS成分分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3（a）中可以清晰地看出，在灰色的Al金屬基體之上彌散分布著白色的Al2O3增強相。另外，從圖中看到試樣有明顯的團絮狀物體，大小約為7 μm，經(jīng)過EDS成分分析發(fā)現(xiàn)，該物質(zhì)為Al2O3。而實驗中所使用的Al2O3的平均粒徑為30 nm，說明試樣中的納米顆粒的增強相發(fā)生了團聚。團聚現(xiàn)象是采用粉末冶金法制備復(fù)合材料過程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，它會影響復(fù)合材料的致密性，從而使復(fù)合材料的綜合性能變差。但總體來說，試樣的緊實度較好，沒有明顯的微裂紋。

圖2 （a）2%Al2O3放大100倍的金相組織圖；（b）2%Al2O3放大500倍的金相組織圖；（c）4%Al2O3放大100倍的金相組織圖；（d）4%Al2O3放大500倍的金相組織圖Fig.2 （a）Microstructures with 2%Al2O3magnified by 100 times；（b）Microstructures with 2%Al2O3magnified by 500 times；（c）Microstructures with 4%Al2O3magnified by 100 times；（d）Microstructures with 4%Al2O3magnified by 500 times

圖3 2%Al2O3樣品的SEM圖片和EDS圖譜Fig.3 SEM and EDS spectrum of prepared sample with 2%Al2O3

3 結(jié)論

采用粉末冶金法制備了一系列的Al2O3∕Al復(fù)合材料，研究了不同Al2O3添加量對復(fù)合材料的相對密度、硬度、晶相組成、金相組織和微形貌的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Al2O3的加入雖然降低了材料的相對密度，但仍然能有效提高材料的硬度。當添加Al2O3質(zhì)量分數(shù)為2%時，復(fù)合材料的硬度最大，為38.7 HV，較純Al提高了53%。這是因為Al2O3的添加能阻礙Al晶體長大，有效細化Al基體的晶粒。