放電等離子燒結(jié)制備TiC/7075鋁基復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)研究

曾 文 王乾坤 任權(quán)友 潘 毅 張紅麗 龍芝梅 冉代鑫

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院， 重慶 401331)

復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料構(gòu)成，兼具兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。比如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，就兼具鋁基體材料的低密度、低膨脹系數(shù)和增強(qiáng)材料的高強(qiáng)度、高比剛度等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域[1-3]。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是金屬基復(fù)合材料中比較成熟的一個(gè)品種。金屬基復(fù)合材料的制備工藝有攪拌鑄造法、粉末冶金法、原位生成法、擠壓鑄造法、噴射成形法等[4]。在這些制備工藝中，粉末冶金法不受基體合金種類與增強(qiáng)體類型的限制，可以使增強(qiáng)相在金屬基體材料中均勻分布，并且可以添加較高含量的增強(qiáng)相[4]。放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，簡稱“SPS”)是一種新型的粉末冶金燒結(jié)技術(shù)，具有升溫速度快、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短等特點(diǎn)，制備的燒結(jié)體致密度高、組織均勻，具有良好的綜合性能[5-7]，目前已被廣泛用于制備功能梯度材料、熱電材料、鐵電材料、磁性材料、納米材料、非晶材料、陶瓷材料等[5，6]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的合金粉為氣霧化法制備的7075合金粉，純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.9%。7075合金粉末呈球形或橢球形，平均直徑約20 μm，其合金成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)所用的增強(qiáng)體TiC粉末的純度為99%，大部分顆粒的直徑為2～4 μm。通過掃描電子顯微鏡(SEM)獲得的7075合金粉末和TiC粉末的形貌如圖1所示。

表1 7075合金粉的成分

在7075合金粉中添加的TiC粉末，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、2%、6%、8%。先用手動(dòng)攪拌的方式對混合粉末進(jìn)行簡單混合，然后放入球磨罐，在行星球磨機(jī)上進(jìn)行球磨混粉。在球磨罐中加入適量的無水乙醇，將混合粉末潤濕，以防止球磨過程中溫度過高而導(dǎo)致鋁合金粉末被氧化，同時(shí)也為降低粉體的表面能，放止團(tuán)聚，使球磨后粉體易于干燥。球料比為10 ∶1，轉(zhuǎn)速為250 r/min，磨球直徑為6 mm，磨球和球磨罐材料為尼龍。為防止球磨過程中溫度過高，采用正反交替間隔運(yùn)行方式，單方向運(yùn)行時(shí)間30 min后，停機(jī)10 min，再反方向運(yùn)行30 min，然后再停機(jī)10 min。如此循環(huán)5次，總的球磨時(shí)間為 360 min(不含停機(jī)時(shí)間)。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用粉末的SEM形貌

放電等離子燒結(jié)在上海晨華電爐有限公司生產(chǎn)的SPS-20T-10型放電等離子燒結(jié)爐中進(jìn)行。選取的SPS專用石墨模具，內(nèi)直徑為30 mm。把根據(jù)模具剪切的碳紙置于模具內(nèi)，以避免試樣粉末與模具接觸，方便燒結(jié)后試樣的取出。將裝好粉末的模具置于燒結(jié)腔內(nèi)，抽真空30 min左右，使腔內(nèi)的真空度小于0.1 Pa。在燒結(jié)過程中，以50 ℃/min的加熱速度加熱至500 ℃。在加熱過程中，為防止石墨模具被損壞，先不施加壓力，至溫度達(dá)到燒結(jié)溫度時(shí)施加35 MPa的軸向壓力。在燒結(jié)溫度上保持20 min，然后隨爐冷卻，制得Ф30 mm×6 mm的圓柱形塊體。

對燒結(jié)的塊體進(jìn)行打磨，再用酒精清洗，然后用阿基米德法測量燒結(jié)塊體的密度。對每個(gè)燒結(jié)塊體測量3次，取平均值。用HITACHI S-3700N掃描電子顯微鏡(SEM)觀察7075合金粉末、TiC粉末和燒結(jié)制備的TiC/7075鋁基復(fù)合材料軸向的形貌，并結(jié)合配備的能譜儀(EDS)分析燒結(jié)塊體中的相。在SEM觀察前，TiC/7075鋁基復(fù)合材料塊體樣品經(jīng)過了線切割、磨樣、拋光、腐蝕的過程。腐蝕劑選用Keller試劑，其配比(體積比)為VHF∶VHCl∶VHNO3∶VH2O=1.0∶1.5∶2.5∶95.0；浸蝕時(shí)間為30 s。采用丹東方圓DX-2700X射線衍射儀，分析7075合金粉末、TiC粉末和燒結(jié)制備的TiC/7075鋁基復(fù)合材料中的物相，掃描角度范圍為30°～90°，掃描速度為0.03°/min。用HVS-1000維氏硬度儀測定燒結(jié)塊體的顯微硬度，加載載荷為200 g，保持時(shí)間15 s。每個(gè)樣品測量10個(gè)點(diǎn)，取其平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 TiC/7075鋁基復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)

圖2是TiC/7075鋁基復(fù)合材料燒結(jié)塊體的XRD圖。從圖中可以看出，TiC含量為0 時(shí)，燒結(jié)塊體中只有Al相。添加TiC后，燒結(jié)塊體中出現(xiàn)了TiC相，且隨TiC含量的增加，TiC對應(yīng)峰的強(qiáng)度有所提高。沒有發(fā)現(xiàn)其他相，說明在燒結(jié)過程中，TiC和Al沒有發(fā)生反應(yīng)生成新的相。這是因?yàn)榉烹姷入x子燒結(jié)的溫度低、時(shí)間短，TiC和Al無法反應(yīng)生成新的相，這也是通過放電等離子燒結(jié)制備金屬基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)[6]。

圖2 TiC/7075鋁基復(fù)合材料燒結(jié)塊體的XRD圖

圖3是不同TiC含量的TiC/7075鋁基復(fù)合材料的微觀組織，表2是圖3f中A、B區(qū)域的能譜分析結(jié)果。通過能譜分析發(fā)現(xiàn)，圖中坑洞部分(圖3f中的B區(qū)域)為TiC顆粒。這是因?yàn)門iC顆粒鑲嵌在鋁基體上，在電解拋光過程中TiC顆粒發(fā)生脫落，從而形成坑洞。隨著TiC含量的增加，TiC顆粒坑洞越來越多。觀察圖3c至圖3h可以發(fā)現(xiàn)，TiC顆粒在鋁基體材料中分布均勻，沒有大量TiC顆粒聚集的現(xiàn)象。這說明，采用球磨工藝對于制備顆粒分布均勻的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是可行的，制備出了顆粒分布均勻的TiC/7075鋁基復(fù)合材料。圖3f中A區(qū)域含有Al、Zn、Mg元素，這恰是7075合金粉中含有的元素。

圖3 不同TiC含量的TiC/7075鋁基復(fù)合材料的微觀組織

區(qū)域元素原子百分含量∕%質(zhì)量分?jǐn)?shù)∕%Zn3.007.00AMg3.613.13Al93.3989.87C36.6212.85BAl2.511.98Ti60.8785.17

圖4是TiC/7075鋁基復(fù)合材料的致密度和顯微硬度的變化圖。從圖中可以看出，燒結(jié)的鋁基復(fù)合材料的致密度均在98%以上，其中TiC含量為0時(shí)的燒結(jié)塊體致密度為99.7%。這說明，通過放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備出了高致密的鋁基復(fù)合材料。此外，復(fù)合材料的顯微維氏硬度值隨著TiC含量的升高而升高。當(dāng)其中TiC的含量為0時(shí)，復(fù)合材料的維氏硬度為147 HV；TiC的含量增加到8%時(shí)，復(fù)合材料的維氏硬度上升到了166.8 HV，硬度增加了13.47%。這是因?yàn)門iC顆粒具有較高的強(qiáng)度和剛度，加入后對7075鋁基體有“釘扎”作用，可以阻礙基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和變形[15]。隨著TiC含量的增加，強(qiáng)化效果越強(qiáng)，因此TiC/7075鋁基復(fù)合材料的硬度隨著TiC含量的增加而升高。

圖4 TiC/7075鋁基復(fù)合材料的致密度和硬度

3 結(jié) 語

運(yùn)用球磨工藝和放電等離子燒結(jié)技術(shù)，可以制備高致密顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

實(shí)驗(yàn)制備的TiC/7075鋁基復(fù)合材料，TiC顆粒分布均勻，材料致密度高(大于98%)。

燒結(jié)制備的TiC/7075鋁基復(fù)合材料中，只有TiC相和Al相，沒有新相產(chǎn)生。

TiC/7075鋁基復(fù)合材料的硬度隨著TiC含量的增加而升高。TiC含量為8%時(shí)，復(fù)合材料的硬度達(dá)166.8 HV，而TiC含量為0時(shí)，復(fù)合材料的硬度只有147 HV。