以機(jī)械攪拌法制備AlFeCrCoNi/Al的組織與力學(xué)性能研究

李 釗，劉赟資，陳 建

(西安工業(yè)大學(xué)，材料與化工學(xué)院，西安710021)

材料不僅與人們的生活息息相關(guān)而且是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的風(fēng)向標(biāo)。近幾十年來，人類科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，尤其在航天航空和醫(yī)學(xué)等相對(duì)先進(jìn)領(lǐng)域均取得矚目的成果[1]。人們對(duì)材料也提出了新要求，傳統(tǒng)意義上的單一材料因?yàn)闊o法滿足人們的新要求所以漸漸淡出人們的應(yīng)用領(lǐng)域，而具有較優(yōu)越綜合性能的新型復(fù)合材料[2]應(yīng)運(yùn)而生。近年來，由于材料的成本有所降低，金屬基復(fù)合材料悄然興起，人們對(duì)制備工藝的摸索也更加深入，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料也順應(yīng)時(shí)代發(fā)展具有非常樂觀的商業(yè)前景[3-4]。

多主元高熵合金擁有很多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨耐腐蝕性、高熱阻和高電阻等[5]，這使得高熵合金顆粒在作為增強(qiáng)相上有很大的優(yōu)勢(shì)[6]。并且在以往研究中發(fā)現(xiàn)AlxFeCrCoNi高熵合金隨Al含量的變化，其組織和性能均有顯著的改變[7]。文獻(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn)高熵合金和基體之間可以形成一定寬度的擴(kuò)散層，這些擴(kuò)散層的存在正好解決了基體和增強(qiáng)體的結(jié)合問題，并且擴(kuò)散層中的一些生成相可以顯著提高金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能，如Al2Cu，AlCu2Ti。再結(jié)合之前的研究，AlFeCrCoNi/Cu復(fù)合材料不僅強(qiáng)度高，而且塑性好[9]。所以AlFeCrCoNi/Al復(fù)合材料具有重要的研究?jī)r(jià)值。而機(jī)械攪拌法以其簡(jiǎn)單靈活[10-11]，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種合金及金屬基復(fù)合材料的生產(chǎn)中[12]。所以隨著機(jī)械攪拌所應(yīng)用的合金種類的日益廣泛及機(jī)械攪拌凝固理論的不斷深入研究[13]，機(jī)械攪拌凝固技術(shù)將為金屬凝固基礎(chǔ)理論開辟一個(gè)嶄新的篇章[14]。并且通過機(jī)械攪拌法制備AlFeCrCoNi/Al基復(fù)合材料，并對(duì)其微觀組織與退火狀態(tài)下的力學(xué)性能研究有很大的研究潛力和應(yīng)用價(jià)值[15]。

本文采用機(jī)械攪拌法制備AlFeCrCoNi/Al，實(shí)驗(yàn)制備過程對(duì)機(jī)械攪拌法具有一些細(xì)節(jié)的改進(jìn)。并擬利用光學(xué)顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及X射線衍射儀對(duì)高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的微觀形貌與材料物相進(jìn)行表征；利用布氏硬度機(jī)、阿基米德排水法和電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量。

1 材料及方法

試驗(yàn)采用QM-1SP4行星式球磨機(jī)在氬氣氛保護(hù)下，對(duì)用噴霧法制備的等原子比的粒徑為300目的AlFeCrCoNi高熵合金粉末(北京金鈺陽(yáng)光新材料科技有限公司)進(jìn)行球磨實(shí)驗(yàn)，采用不銹鋼球硬質(zhì)合金罐，轉(zhuǎn)速為240 r·min-1，球料比為10∶1，正庚烷為控制劑，球磨時(shí)間為6 h。然后將Al塊加入石墨坩堝中，再將坩堝放入電阻爐中進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到700 ℃時(shí)保溫10 min，然后將預(yù)熱到300 ℃的高熵合金粉末分多次并且在攪拌下加入，當(dāng)高熵合金的加入量為5%和10%時(shí)停止加入，再攪拌適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后進(jìn)行澆鑄。并對(duì)澆鑄成功的試樣在300 ℃時(shí)分別保溫4 h、6 h和8 h進(jìn)行退火處理。

通過尼康EPIPHOT-300U型光學(xué)顯微鏡對(duì)在相同倍數(shù)下，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣進(jìn)行對(duì)比分析其表面形貌；采用阿基米德排水法測(cè)高熵合金鋁基復(fù)合材料的致密度，計(jì)算方法為

(1)

式中:ρ水為0.998 g·cm-3;m為空氣中稱量試樣的質(zhì)量;m1為涂凡士林之后試樣在空氣中的質(zhì)量;m2為將涂抹凡士林之后的試樣放入水中稱取的質(zhì)量。

采用日本島津XRD-6000型X射線衍射儀對(duì)試樣物相進(jìn)行分析，掃描范圍為20°～100°，掃描速度為4(°)·min-1，掃描步長(zhǎng)為0.02°；采用HL-1000型布氏硬度機(jī)測(cè)量試樣的布氏硬度，加載載荷為250 kg，壓頭為?5 mm，加載時(shí)間為30 s；根據(jù)GB/T 2975-1998 《力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置和試樣制備》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作拉伸試樣，并采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣在不同退火時(shí)間下進(jìn)行拉伸；通過FEI Quanta 400F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)試樣表面形貌、增強(qiáng)相尺寸和成分進(jìn)行分析，并對(duì)拉伸后的斷口形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 金相和致密度分析

圖1為相同倍數(shù)下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)w的AlFeCrCoNi顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的金相圖。圖1(a)為鑄態(tài)純Al的金相，圖1(b)和1(c)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%和10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的金相圖，圖1中黑色條狀物質(zhì)為AlFeCrCoNi，淺色部分為Al基體，可以看到黑色條狀物隨高熵合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。從圖1(b)中可以看到，高熵合金顆粒分布均勻，而且高熵合金顆粒與基體金屬間存在明顯的界面。這是因?yàn)楦哽睾辖痤w粒經(jīng)過球磨處理時(shí)加入的控制劑正庚烷提高了顆粒的表面活性，改善了顆粒與基體間的潤(rùn)濕性；此外，顆粒預(yù)先加熱避免了氣孔的吸附，而顆粒溫度提高后會(huì)引起表面能的降低，有利于顆粒與基體的潤(rùn)濕。比較圖1(b)和圖1(c)可以看到，隨著增強(qiáng)顆粒的增加逐漸出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致增強(qiáng)顆粒和基體之間的結(jié)合變差。

圖1 純Al及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al基復(fù)合材料的金相圖

本文采用阿基米德排水法測(cè)量了純Al和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的致密度。純Al的致密度為92.16%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的致密度為91.27%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料致密度為86.56%。隨著AlFeCrCoNi質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的致密度明顯降低。由于試驗(yàn)是在非真空條件下進(jìn)行，隨著高熵合金顆粒粉末在攪拌時(shí)的加入，會(huì)有少量的氣體和雜質(zhì)卷入，加入的顆粒越多，其致密度相對(duì)越低。

2.2 XRD和硬度分析

圖2為AlFeCrCoNi顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的XRD譜圖，圖2中分別顯示了復(fù)合材料中各個(gè)物相的衍射峰，可以看到這類高熵合金增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的譜圖相對(duì)比較簡(jiǎn)單，有一個(gè)強(qiáng)衍射峰和四個(gè)弱的衍射峰，衍射峰比較明顯的約在37°，44°，65°，77°和99°。這些峰均為Al原子的衍射峰，隨著AlFeCrCoNi質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Al原子所占比例減少，其衍射峰逐漸減弱，并且衍射峰均逐漸向左移動(dòng)。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al基復(fù)合材料的XRD圖

本文采用布氏硬度機(jī)測(cè)量了純Al和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的布氏硬度。純Al的布氏硬度為87.5 HB，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的布氏硬度為93.9 HB，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的布氏硬度為140.3HB。隨著AlFeCrCoNi質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的布氏硬度明顯增加。這是因?yàn)锳lFeCrCoNi顆粒加入Al中作為第二相粒子可以有效的阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，形成了彌散強(qiáng)化。

2.3 SEM分析

圖3分別為純鋁和用攪拌法制備的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的組織形貌圖。其中圖3(a)，圖3(b)和圖3(c)分別為掃描電鏡下放大100倍的純Al、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描照片，而圖3(d),圖3(e)和圖3(f)分別為掃描電鏡下放大500倍的純Al、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描照片。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al基復(fù)合材料的SEM圖

由圖3(a)和圖3(d)可以看出，純鋁表面基本為同一顏色，有少量的其他雜質(zhì)，但是其表面比較平整，有少量可見的晶界。從圖3(b),圖3(e),圖3(c)和圖3(f)可以看出,圖中白色條狀或針狀的物質(zhì)為AlFeCrCoNi增強(qiáng)相，灰色物質(zhì)為Al基體，隨著AlFeCrCoNi含量的增多，AlFeCrCoNi增強(qiáng)相越來越密集，但組織形貌基本不變。比較圖3(e)和圖3(f)，可知加入較多的增強(qiáng)顆粒則會(huì)使熔體的粘度提高，導(dǎo)致鋁液不能流動(dòng)，從而讓攪拌鑄造變得更加困難，使顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚。此外，當(dāng)增強(qiáng)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致凝固澆鑄的過程中在凝固界面前沿顆粒可能堆積，顆粒在凝固過程中被凝固界面捕獲而實(shí)現(xiàn)不均勻分布，使得顆粒團(tuán)聚。由此可以得出，在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的攪拌鑄造制備過程中，實(shí)現(xiàn)顆粒均勻分布的一個(gè)關(guān)鍵因素是選擇適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)體含量。圖4為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的面掃描圖。其中小圖中的白色區(qū)域分別表示各個(gè)元素所在的位置，黑色區(qū)域表示其他不同元素所在的位置。由圖4可知，Al元素含量相對(duì)較多，而Fe,Cr,Co和Ni四種元素的含量基本相等。

2.4 拉伸性能分析

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在退火時(shí)間從0 h增加到8 h的過程中,抗拉強(qiáng)度逐漸從160 MPa增大到225 MPa；而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度是先增大后減小，增大不明顯。并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在不同退火時(shí)間的抗拉強(qiáng)度普遍比質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度高，這是由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)相團(tuán)聚比較嚴(yán)重造成的。

2.5 斷口分析

圖5為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁基復(fù)合材料的拉伸斷口形貌。圖5(a)和圖5(c)分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的斷口宏觀形貌和微觀形貌。

圖4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi/Al的面掃描圖

圖5(b)和圖5(d)分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的斷口宏觀形貌和微觀形貌。從圖5中可以觀察到宏觀斷口形貌由三個(gè)部分組成，由試樣心部向外依次為纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇，剪切唇表面光滑，與拉伸軸成45°，是典型的韌性斷裂。并且可以明顯的看到不均勻的韌窩，還有較少的孔洞。圖5(b)和圖5(a)相比剪切唇明顯變大，圖5(c)和圖5(d)相比第二相粒子從球狀變成條狀，這是因?yàn)殡S增強(qiáng)相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加材料塑性變差，并且第二相粒子出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象造成的。總的來說AlFeCrCoNi為增強(qiáng)相制備的Al基復(fù)合材料的斷裂類型為韌性斷裂，斷裂機(jī)理為微孔聚集型斷裂。

3 結(jié) 論

1) 在顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的攪拌鑄造制備過程中，實(shí)現(xiàn)顆粒均勻分布的一個(gè)關(guān)鍵因素是選擇適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)顆粒含量，增強(qiáng)顆粒的含量控制在10%以下時(shí)最為理想。

2) 高熵合金含量的增加，復(fù)合材料的致密度明顯減小，而布氏硬度明顯增加。

3) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的AlFeCrCoNi增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料隨著退火時(shí)間從0 h增加到8 h，抗拉強(qiáng)度逐漸增大；AlFeCrCoNi為增強(qiáng)相制備的Al基復(fù)合材料的斷裂類型為韌性斷裂，斷裂機(jī)理為微孔聚集型斷裂。