彌散強(qiáng)化對鉑基材料拉伸性能的影響

李 鳳，唐會(huì)毅, 2 *，吳保安，肖雨辰，羅維凡，劉慶賓，成艾霖

彌散強(qiáng)化對鉑基材料拉伸性能的影響

李 鳳1，唐會(huì)毅1, 2 *，吳保安1，肖雨辰1，羅維凡1，劉慶賓3，成艾霖1

(1. 重慶材料研究院有限公司 國家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400707；2. 重慶大學(xué)，重慶 400044；3. 國機(jī)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100080)

對普通和氧化鋯彌散強(qiáng)化的鉑基材料分別進(jìn)行了常溫和1000℃高溫拉伸試驗(yàn)，用光學(xué)和掃描電子顯微鏡對斷口及其附近區(qū)域的表面形貌和微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測。結(jié)果表明，在拉伸實(shí)驗(yàn)中彌散強(qiáng)化型鉑基材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度高于普通鉑基材料；彌散強(qiáng)化型鉑基材料斷口呈韌窩狀，且韌窩中能觀察到第二相(氧化鋯顆粒)的存在。高溫拉伸時(shí)，由于氧化鋯顆粒的彌散強(qiáng)化作用，降低晶界擴(kuò)散速度，減緩位錯(cuò)攀移，阻止晶粒長大和晶界滑移，提高了鉑基材料的強(qiáng)度。

鉑基材料；氧化鋯；彌散強(qiáng)化；拉伸試驗(yàn)；斷口形貌

鉑基材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐急熱急冷、加工性能良好以及可循環(huán)使用等優(yōu)良特性，是平板顯示玻璃行業(yè)和玻璃纖維行業(yè)的核心生產(chǎn)裝備材料，同時(shí)也是化學(xué)化工、光學(xué)玻璃及激光晶體領(lǐng)域用關(guān)鍵裝備材料[1-2]。普通鉑基材料在1000℃以上高溫環(huán)境中晶粒長大且呈竹節(jié)狀，隨著使用溫度、時(shí)間的增長，高溫強(qiáng)度和高溫持久性能明顯降低。在高溫應(yīng)力的作用下，鉑基制品的使用壽命往往較短[3-4]。為提高鉑基材料在高溫環(huán)境中的使用壽命、節(jié)約成本，需對鉑基材料進(jìn)行強(qiáng)化，使鉑基材料在高溫環(huán)境中具有高的持久強(qiáng)度和高溫蠕變壽命[5-6]。

鉑基材料可通過固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化等來提高其機(jī)械性能[7-10]，其主要目的在于使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，減緩或阻礙晶粒長大，從而提高金屬材料的強(qiáng)度。其中，彌散強(qiáng)化是目前提高鉑基材料性能，特別是高溫機(jī)械性能的最有效的方法之一，已被廣泛應(yīng)用在光學(xué)玻璃、坩堝制造和纖維工業(yè)漏板等制品制造領(lǐng)域[11]。本文通過對比鉑基材料室溫及1000℃下的拉伸行為，研究固溶強(qiáng)化和氧化鋯彌散強(qiáng)化對鉑基材料拉伸性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料制備

將純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)99.99%的鉑粉，純度99.95%的銠粉和高純金屬鋯按比例(鋯的含量約為0.1%~0.3%)在真空熔煉爐中熔成三元合金錠。合金錠通過拉拔至直徑為1.5 mm的絲材后送入電弧噴槍制粉，并將所制粉末在1000℃的環(huán)境下氧化5 h，通過高溫?zé)釅簾Y(jié)成型工藝制得彌散強(qiáng)化材料[8]。制備得到的材料分別為彌散強(qiáng)化鉑(標(biāo)記為Pt(ZrO2))和彌散強(qiáng)化鉑銠10(標(biāo)記為Pt-10Rh(ZrO2))。為與彌散強(qiáng)化材料對比，采用真空感應(yīng)熔煉工藝制備非彌散強(qiáng)化的2種鉑基材料的鑄態(tài)合金。分別為普通鉑(標(biāo)記為Pt)和常規(guī)鉑銠10(標(biāo)記為Pt-10Rh)。所有試驗(yàn)樣品通過熱鍛冷軋工藝，得到厚度為1 mm片材，并按照常溫和高溫拉伸樣品要求用激光切割機(jī)進(jìn)行樣品的制備。

1.2 試驗(yàn)方法

將普通鉑基材料和彌散強(qiáng)化材料進(jìn)行室溫和1000℃下的拉伸試驗(yàn)。拉伸測試所用設(shè)備為萬能試驗(yàn)機(jī)(溫度0~1000℃，升溫速率10 ℃/min)。樣品斷口及斷口附近表面形貌觀察采用設(shè)備為Zeiss Axio Imager A1m金相顯微系統(tǒng)以及JSM-7001F場發(fā)射掃描電鏡(電壓20 kV)。采用EPMA-1720電子探針進(jìn)行微區(qū)元素分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 室溫拉伸試驗(yàn)

2.1.1室溫拉伸力學(xué)性能

圖1為4種鉑基材料室溫拉伸測試曲線，表1列出了相應(yīng)的測定結(jié)果。由圖1可知，4種材料的拉伸曲線都有明顯的屈服及頸縮階段，表明4種材料的塑性均較好。對比彈性階段的曲線，可知銠的加入明顯提高了材料的彈性模量，而屈服強(qiáng)度的提升也表明銠的加入起到了固溶強(qiáng)化的作用。對比可知，彌散強(qiáng)化對彈性影響不明顯，但對屈服強(qiáng)度有明顯的提升，且會(huì)引起塑性的略微下降。

圖1 鉑基材料室溫拉伸測試曲線(l0=25 mm)

表1 室溫拉伸測試結(jié)果

Tab.1 The results of tensile test at room temperature

由表1可知，由于強(qiáng)化相氧化鋯的加入，室溫抗拉強(qiáng)度均高于未強(qiáng)化的同種鉑基材料，其抗拉強(qiáng)度提高30%以上，且斷后延伸率變化不大，其強(qiáng)化效果較為明顯。材料的強(qiáng)度是其抵抗變形的能力，由位錯(cuò)的數(shù)目和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所控制，通過對鉑進(jìn)行固溶強(qiáng)化(溶質(zhì)原子銠的加入，使得合金強(qiáng)度提高)和彌散強(qiáng)化(細(xì)小硬質(zhì)顆粒ZrO2均勻分布于基體鉑中，使其金屬的抗拉強(qiáng)度和硬度顯著提高)，其強(qiáng)化相有效地阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[12-14]。

2.1.2室溫拉伸樣品表面形貌

圖2為4種鉑基材料室溫拉伸斷口附近的表面形貌。由圖2(a)可見，鉑經(jīng)過室溫拉伸后，其表面出現(xiàn)密集的滑移帶；由于銠的加入，使得鉑基體晶格發(fā)生畸變，從而增加了對滑移的抗力，因此表面滑移線痕跡較淺，如圖2(c)所示。而彌散強(qiáng)化后的鉑基材料，滑移線紋路較淺，且稀疏，如圖2(b)和2(d)所示。彌散強(qiáng)化鉑基材料中的氧化物顆粒呈彌散分布，一方面使相界面顯著增多，使其周圍晶格發(fā)生畸變，從而使滑移抗力增加，更重要的是，這些彌散相質(zhì)點(diǎn)本身阻礙位錯(cuò)移動(dòng)。

2.1.3室溫拉伸斷口形貌

圖3為4種鉑基材料室溫拉伸斷口形貌。

(a). Pt; (b). Pt(ZrO2); (c). Pt-10Rh; (d). Pt-10Rh(ZrO2)

(a). Pt; (b). Pt(ZrO2); (c). Pt-10Rh; (d). Pt-10Rh(ZrO2)

從圖3(a)可知，鉑材料斷口較為平整，而Pt-10Rh合金斷口處有大小不同的韌窩存在，其斷裂方式為典型的韌性斷裂，如圖3(c)。彌散強(qiáng)化鉑基斷口內(nèi)有大量的韌窩，且在韌窩中能清晰的看見第二相粒子存在，如圖3(b)、3(d)所示，電子探針分析表明，該粒子為氧化鋯。氧化鋯彌散分布在鉑基材料基體中，在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生了明顯的撕裂痕跡及通道；氧化鋯作為強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn)，其熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于基體鉑及鉑銠金屬熔點(diǎn)，在基體中無溶解度，當(dāng)發(fā)生拉伸變形時(shí)，強(qiáng)化相使位錯(cuò)發(fā)生繞道或切割，對位錯(cuò)起到釘扎作用，減緩位錯(cuò)攀移，從而提高材料的強(qiáng)度[13-15]。

2.2 1000℃高溫拉伸試驗(yàn)

2.2.1高溫拉伸力學(xué)性能

圖4為4種鉑基材料1000℃高溫拉伸測試曲線，表2列出了相應(yīng)的測定數(shù)據(jù)。

由圖4可知，相比于室溫，彌散強(qiáng)化在高溫下對鉑基材料的強(qiáng)化效果更為顯著，特別是對Pt-Rh10來說，其屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度顯著提升，這與高溫下彌散相對晶界遷移的強(qiáng)烈阻礙作用有關(guān)。由表2可知，彌散強(qiáng)化鉑基材料的高溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)明顯高于普通鉑基材料。分別對比4種材料的斷后伸長率，發(fā)現(xiàn)Pt(ZrO2)的斷后伸長不僅沒有下降，反而提高76%；而Pt-10Rh(ZrO2)的斷后伸長有所降低，但仍保持了相當(dāng)高的延伸率。表明彌散強(qiáng)化鉑基材料比傳統(tǒng)的熔煉鉑基材料具有更高的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能。并且，有研究表明彌散強(qiáng)化鉑合金在熱機(jī)械加工過程中形成和保持具有大長徑比的伸長晶體，它不僅自身有很高的穩(wěn)定性，而且由于橫向晶界的減少而削弱晶界滑動(dòng)，從而提高材料的高溫強(qiáng)度[16-17]。

圖4 鉑基材料1000℃高溫拉伸測試曲線

表2 1000℃高溫拉伸檢測結(jié)果

Tab.2 The results of tensile test at 1000℃

2.2.2高溫拉伸樣品的表面和斷口形貌

圖5為4種鉑基材料1000℃高溫拉伸斷口附近表面形貌，圖6為斷口形貌。

觀察高溫拉伸斷口附近表面形貌可見，經(jīng)過1000℃高溫拉伸后，普通鉑基材料晶粒粗大，滑移線密集，晶界輪廓明顯(圖5(a)、(c))；彌散強(qiáng)化鉑基材料晶粒更為細(xì)小且滑移線稀疏(圖5(b)、(d)所示)。晶粒的大小顯著影響材料的抗拉強(qiáng)度，晶粒越細(xì)小材料的強(qiáng)度越高。晶粒在長大的過程中，其晶界能不斷減小，在應(yīng)力作用下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需克服的晶界阻力減小，從而出現(xiàn)明顯的晶界粗化甚至產(chǎn)生裂紋，斷裂極易發(fā)生在晶界。彌散強(qiáng)化鉑基材料中有強(qiáng)化顆粒氧化鋯的存在，降低晶界的擴(kuò)散速度，減緩位錯(cuò)攀移，有效阻止晶粒長大和晶界的滑移。

鉑基材料在1000℃高溫拉伸斷口形貌與常溫拉伸斷口形貌具有一定差異。鉑在斷口出現(xiàn)大量的環(huán)狀紋(圖6(a))，表明晶內(nèi)滑移面的滑移現(xiàn)象。Pt(ZrO2)斷口處存在少量的韌窩，且韌窩中有第二相粒子存在(圖6(b))。Pt-10Rh合金斷口處出現(xiàn)少量大小不均勻的孔洞，如圖6(c)所示。而圖6(d)顯示出Pt-10Rh(ZrO2)的斷口處有大小不等的顆粒存在，且有環(huán)狀條紋分布在顆粒附近。這是由于在高溫拉伸過程中，滑移面上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到硬質(zhì)強(qiáng)化顆粒，受到粒子的阻礙并發(fā)生彎曲，隨著時(shí)間的推移，位于粒子周圍的位錯(cuò)線左右兩邊相遇，抵消正負(fù)號(hào)位錯(cuò)，形成位錯(cuò)環(huán)。通過對顆粒的分析，表明該顆粒為氧化鋯，由于基體中氧化鋯的存在，位錯(cuò)只能通過攀移繞過氧化鋯，有效阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的高溫強(qiáng)度[18]。

3 結(jié)論

1) 氧化鋯(ZrO2)彌散強(qiáng)化相的加入，使鉑基材料的室溫抗拉強(qiáng)度明顯高于普通鉑基材料，抗拉強(qiáng)度提高30%以上，且在1000℃的高溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度也明顯高于普通鉑基材料。

2) 經(jīng)過1000℃的高溫拉伸高溫試驗(yàn)后，普通鉑基材料粒晶粒粗大，滑移線密集，晶界輪廓明顯；而彌散強(qiáng)化鉑基材料晶粒相對細(xì)小，這是由于彌散強(qiáng)化鉑基材料中氧化鋯的存在，降低晶界的擴(kuò)散速度，有效阻止晶粒長大和晶界的滑移。

(a). Pt; (b). Pt(ZrO2); (c). Pt-10Rh; (d). Pt-10Rh(ZrO2)

(a). Pt; (b). Pt(ZrO2); (c). P-Rh10; (d). Pt-10Rh(ZrO2)

3) 彌散強(qiáng)化鉑基材料為韌窩狀斷口，且韌窩中能觀察到氧化鋯顆粒，在應(yīng)力作用下，產(chǎn)生了明顯的撕裂痕跡及通道，強(qiáng)化相使位錯(cuò)發(fā)生繞道或切割，對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起到釘扎作用，減緩位錯(cuò)攀移，從而提高材料的強(qiáng)度。

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Effect of Dispersion-Strengthened on Tensile Properties of Platinum-based Materials

LI Feng1, TANG Hui-yi1, 2 *, WU Bao-an1, XIAO Yu-chen1, LUO Wei-fan1, LIU Qing-bin3, CHENG Ai-lin1

(1. National Instrument Functional Materials Engineering Technology Research Centers, Chongqing Materials Research Institute Co. Ltd., Chongqing 400707, China; 2. Chongqing University, Chongqing 400044, China;3. SINOMACH Aacademy of Science and Technology Co. Ltd., Beijing 100080, China)

Tensile tests were conducted on ordinary platinum-based materials and zirconia dispersion strengthened platinum-based materials at room temperature and 1000°Crespectively. The surface morphology and microstructure of the fracture and its adjacent area were observed with optical microscope and scanning electron microscope. The results showed that the tensile strength and yield strength of zirconia dispersion strengthened platinum-based materials were higher than those of ordinary platinum-based materials. The fractures of zirconia dispersion strengthened platinum-based materials were dimple-like, and the second phase (zirconia particles) can be observed in the dimples. During high temperature stretching, due to the dispersion strengthening effect of zirconia particles, the grain boundary diffusion rate was reduced, and dislocation climbing was slowed down, and the grain growth and grain boundary slippage were prevented, and the strength of platinum-based materials was improved.

platinum-based materials; zirconium oxide; dispersion strengthening; tensile test; fracture morphology

TG146.3+3

A

1004-0676(2020)02-0001-06

2019-12-17

中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)(SinoMach2017科247號(hào))；重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范產(chǎn)業(yè)類重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(cstc2018jszx-cyzdX0075)；重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(cstc2019jscx-mbdxX0001)

李 鳳，女，工程師，研究方向：貴金屬材料研發(fā)。E-mail：liyilifeng@163.com

唐會(huì)毅，男，高級工程師，研究方向：貴金屬特種材料研發(fā)。E-mail：hytang320@163.com