自生TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料顯微組織與力學(xué)性能研究*

衛(wèi)佳樂，白亞平，劉萌萌，李建平

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

7075鋁合金的主要元素是Al-Zn-Mg-Cu，其具有優(yōu)良的韌性、加工性能和耐腐蝕性，但是由于其較差的磨損性能而制約了其廣泛應(yīng)用[1-3]。近年來，研究發(fā)現(xiàn)通過熱處理、第二相強(qiáng)化等方法可顯著提高合金的力學(xué)性能，以纖維、陶瓷及硬質(zhì)合金顆粒作為增強(qiáng)相制得的金屬基復(fù)合材料，其力學(xué)性能得到了質(zhì)的提高[4-6]，在交通運(yùn)輸、軍事國防以及航空航天領(lǐng)域擁有十分廣闊的應(yīng)用前景[7-9]。TiB2、TiC陶瓷顆粒硬度高，熱膨脹系數(shù)較小，是較為理想的增強(qiáng)相[10-12]。

文獻(xiàn)[13]在探究TiB2顆粒對TiB2/2024和TiB2/7075鋁基復(fù)合材料銑削加工性能和表面完整性的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)原位TiB2顆粒聚集在晶界處并分散在基體合金內(nèi)，阻礙了基體合金的位錯(cuò)運(yùn)動，提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度。文獻(xiàn)[14]采用激光熔覆技術(shù)制備了Ni基耐磨涂層，發(fā)現(xiàn)TiC的加入能有效抑制板條狀Ni3Ta金屬間化合物的形成和裂紋的產(chǎn)生，具有優(yōu)異的耐磨性和韌性,且該涂層的耐磨性為基體的4倍。文獻(xiàn)[15]研究發(fā)現(xiàn)，采用反應(yīng)熔覆技術(shù)結(jié)合自蔓延高溫合成技術(shù)所制造的TiB2-TiCx復(fù)合涂層，具有較高的硬度及熱穩(wěn)定性，在20N載荷的作用下，基體及涂層的損失量相對減少了90%，大幅度提高了鋁合金表面的耐磨性。文獻(xiàn)[16]采用燃燒合成反應(yīng)致密一體化制備了(TiB2-TiC)/Al-Cu-Mg復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，隨著陶瓷相TiB2和TiC體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的最大壓縮強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。當(dāng)陶瓷相體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，在室溫下和高溫下復(fù)合材料均具備最優(yōu)異的壓縮性能。到目前為止，人們已經(jīng)研究了很多TiB2、TiCx顆粒對基體強(qiáng)度及耐磨性能的改善，但是對自生TiB2-TiCx作為增強(qiáng)相的研究還很少。

基于此，文中采用高能球磨與熱壓燒結(jié)相結(jié)合的方法制備了w(TiB2-TiCx)分別為10%、20%、30%、40%的TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料，對其微觀組織、硬度和室溫壓縮性能進(jìn)行了測試分析，并總結(jié)出自生TiB2-TiCx含量對7075鋁合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及檢測方法

文中所用原材料為長沙天玖公司生產(chǎn)的7075鋁粉、鈦粉與硼化碳粉，各粉體的具體純度和粒度見表1。

表1 試驗(yàn)原材料

將鈦粉及硼化碳粉通過機(jī)械合金化誘發(fā)自蔓延高溫反應(yīng)[17]，合成TiB2-TiCx粉。根據(jù)方程式3Ti+B4C→2TiB2+TiC，將初始反應(yīng)物Ti粉27.46 g，B4C粉10.54 g中，加入10%的硬脂酸，在YXQM-4L行星式球磨機(jī)中球磨40 h，球料比為10∶1，轉(zhuǎn)速為300 r·min-1，可獲得理論生成物TiB2粉26.55 g，TiC粉11.45 g。

將制備的TiB2-TiCx粉與7075鋁粉混合，采用見表2的TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合粉體成分配比方案，稱取總質(zhì)量為40 g的7075鋁粉和TiB2-TiCx粉，加入5%的硬脂酸，在YXQM-4L行星式球磨機(jī)中球磨5 h，球料比為3∶1，轉(zhuǎn)速為100 r·min-1。分別研究w(TiB2-TiCx)為10%、20%、30%和40%時(shí)對7075鋁合金組織和力學(xué)性能的影響。將所制得的TiB2-TiCx/7075混合粉體放入ZT-40-20Y真空熱壓爐中，進(jìn)行熱壓燒結(jié)，具體的燒結(jié)工藝為：將混合均勻的粉體送入直徑為?50 mm的石墨模具中進(jìn)行燒結(jié)，真空度為10-1～10-3Pa、燒結(jié)溫度為520 ℃、燒結(jié)壓力為20 MPa，最終燒結(jié)所得的試樣尺寸約為?50 mm×10 mm。

表2 TiB2-TiCx/7075復(fù)合粉體成分配比方案

用日本島津-6000X射線衍射儀分析不同TiB2-TiCx含量的TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的物相結(jié)構(gòu)，測試試樣尺寸為5 mm×5 mm×10 mm。在測試過程中，電壓和電流分別為：40 kV和30 mA，以連續(xù)掃描的方式進(jìn)行掃描，其中，掃描范圍為2θ(20°～90°)，掃描速度為4°/min；采用VEGAⅡXMU型掃描電子顯微鏡觀察增強(qiáng)相的分布、顆粒的大小、形貌及微觀組織，同時(shí)用該掃描電鏡配套的能譜儀分析各復(fù)合材料的成分；利用402MVD自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯微維氏硬度計(jì)測量其硬度，在載荷為200 g、保壓時(shí)間為15 s的條件下進(jìn)行維氏硬度測試；采用D2-0200-1型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，試樣尺寸為4 mm×4 mm×6 mm，壓縮速度為0.2 mm·min-1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自生TiB2-TiCx粉體的微觀組織

圖1為自生TiB2-TiCx粉體形貌、XRD衍射譜圖及EDS分析。由圖1(a)可知：通過機(jī)械合金化誘發(fā)自蔓延反應(yīng)而生成的TiB2-TiCx混合粉體，大多為均勻的圓顆粒狀；從XRD衍射譜圖可以看出，該混合粉體中的物相有TiB2、TiCx、Ti3B4和B4C等，在反應(yīng)過程中，Ti粉與B4C粉產(chǎn)生的中間相TiB，可與B4C粉反應(yīng)[17-18]生成Ti3B4相(5Ti+B4C=4TiB+TiC，16TiB+B4C=5Ti3B4+TiC)；將該粉體放大120 000倍，并對其中一個(gè)顆粒進(jìn)行EDS分析，該顆粒上存在Ti、C和B元素。

圖1 自生TiB2-TiCx粉體形貌、XRD衍射譜圖及EDS分析

2.2 TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的微觀組織

圖2為w(TiB2-TiCx)=0%～40%的TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的XRD衍射譜圖，由圖2可知：在7075鋁合金材料中，Zn、Mn、Cu等元素固溶在Al中，與7075鋁合金材料相比，w(TiB2-TiCx)=10%的TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料在Al(Zn，Mn，Cu)固溶體相的基礎(chǔ)上，生成的新相有TiB2和TiCx等；而w(TiB2-TiCx)分別為20%、30%的TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料中，在Al(Zn，Mn，Cu)、TiB2和TiCx等物相的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了新的相Ti3B4，其形成的原因主要有兩點(diǎn)：球磨過程中，Ti粉與B4C粉產(chǎn)生的中間相TiB，再次與B4C粉反應(yīng)生成Ti3B4；燒結(jié)過程中，隨著溫度的上升，已形成的TiB2相，與原增強(qiáng)相粉體中剩余未反應(yīng)的Ti粉和B4C粉，再次結(jié)合生成Ti3B4。當(dāng)增強(qiáng)相TiB2-TiCx含量增至40%時(shí)，在上述物相的基礎(chǔ)上，復(fù)合材料中又出現(xiàn)了B4C相，這是因?yàn)樵鰪?qiáng)相粉體中剩余有未反應(yīng)的B4C粉。

圖3為不同含量TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的微觀組織，表3為圖3中對應(yīng)區(qū)域的EDS分析結(jié)果。由圖3可知：7075Al合金的微觀組織為灰色基體相Al(Zn，Mg，Cu)和分布均勻的白色點(diǎn)狀物，結(jié)合表3可知，區(qū)域1的點(diǎn)狀物為富銅相，w(TiB2-TiCx)=10%的復(fù)合材料中TiB2-TiCx含量相對較少，增強(qiáng)相顆粒在基體中分布較為分散；當(dāng)TiB2-TiCx含量為20%時(shí)，復(fù)合材料的微觀組織較為均勻，未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，這主要是因?yàn)椋跓釅簾Y(jié)的過程中，合金中Al含量較多，會吸收一部分熱量，增強(qiáng)相就不易吸熱長大，從而在基體中分布較為均勻。此外，表3中1-3區(qū)域出現(xiàn)了O元素，這是由于在制樣(球磨與熱壓燒結(jié))過程中，真空環(huán)境和保護(hù)性氣氛中仍存在較低的氧分壓所造成；而當(dāng)w(TiB2-TiCx)分別為30%、40%時(shí)復(fù)合材料中加入的TiB2-TiCx含量較多，增強(qiáng)相均出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，且團(tuán)聚程度隨增強(qiáng)相含量的增加而增大。結(jié)合表3和圖2中的XRD衍射譜圖可知，區(qū)域4的黑色顆粒狀為B4C相，這是由于復(fù)合材料中增強(qiáng)相含量較多，原增強(qiáng)相粉體中剩余較多未反應(yīng)的B4C粉造成。

圖2 w(TiB2-TiCx)=0%～40%TiB2-TiCx/7075復(fù)合材料XRD衍射譜圖

圖3 w(TiB2-TiCx)=0%～40%TiB2-TiCx/7075復(fù)合材料微觀組織

表3 圖3對應(yīng)EDS分析結(jié)果

利用圖像處理軟件對不同含量的TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的顯微組織圖像進(jìn)行了處理。用黃色標(biāo)記顆粒增強(qiáng)相并測量其面積。將顆粒面積法與等面積圓面積法相結(jié)合[19]，計(jì)算公式為

(2)

式中：di為目標(biāo)顆粒的粒徑;Ai為單個(gè)粒子的面積，π為圓周率。

用晶粒均勻度(GME)特征參數(shù)表征了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)分布。它的定義為圖像中所有晶粒粒徑大小的標(biāo)準(zhǔn)偏差與粒徑大小期望值的比值。GME值越小，晶粒分布的均勻性越好。計(jì)算公式如下式所示。

(3)

(4)

(5)

式中：σd為晶粒粒徑大小的標(biāo)準(zhǔn)差;μd為晶粒粒徑大小的期望值。

根據(jù)計(jì)算可得：當(dāng)w(TiB2-TiCx)分別為10%、20%、30%、40%，該復(fù)合材料的GME值分別為0.54、0.19、0.29、0.43，結(jié)合圖3的微觀組織分布情況，可以得出，當(dāng)復(fù)合材料中TiB2-TiCx含量為20%時(shí)，微觀組織最為均勻，當(dāng)TiB2-TiCx含量為10%時(shí)，增強(qiáng)相含量相對較少，其在基體中分布較分散，當(dāng)w(TiB2-TiCx)分別為30%、40%時(shí)，復(fù)合材料中增強(qiáng)相均出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，且團(tuán)聚程度依次增大。

圖4 w(TiB2-TiCx)=10%～40%TiB2-TiCx/7075復(fù)合材料微觀組織(處理后)

2.3 TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的維氏硬度

圖5為TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的硬度隨增強(qiáng)相含量變化曲線，由圖可知：隨著增強(qiáng)相含量增加，復(fù)合材料的硬度呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)TiB2-TiCx含量為20%時(shí)，復(fù)合材料的維氏硬度為273.5 HV，與7075Al合金材料(80.5HV)相比，提高了239.7%。TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料硬度隨增強(qiáng)相含量增加而持續(xù)上升的主要原因是，硬質(zhì)相TiB2-TiCx均勻分布在基體中，起到了彌散強(qiáng)化的作用，使復(fù)合材料的硬度顯著提高。

圖5 w(TiB2-TiCx)=0%～40% TiB2-TiCx/7075復(fù)合材料硬度曲線圖

2.4 TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的壓縮性能

圖6為TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與抗壓強(qiáng)度、壓縮率隨增強(qiáng)相含量變化曲線圖。由圖6可知：隨著增強(qiáng)相TiB2-TiCx含量的增加，TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當(dāng)TiB2-TiCx含量為20%時(shí)，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值796.5 MPa，由于材料組織決定其性能，結(jié)合圖3(c)，當(dāng)TiB2-TiCx含量為20%時(shí)，增強(qiáng)相在基體中分布均勻，使得其抗壓強(qiáng)度較大；而當(dāng)TiB2-TiCx含量為30%、40%，復(fù)合材料中增強(qiáng)相均出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，故二者抗壓強(qiáng)度均降低。而壓縮率則隨增強(qiáng)相TiB2-TiCx含量的增加而減小，是因?yàn)?075Al合金的韌性較好，隨著增強(qiáng)相TiB2-TiCx含量的增加，基體與增強(qiáng)相間的界面也隨之增多，在壓縮過程中，材料承受的力通過基體傳給增強(qiáng)相時(shí)，其難與基體協(xié)調(diào)變形，尤其是TiB2-TiCx含量增加到30%、40%，增強(qiáng)相在基體中發(fā)生了團(tuán)聚，造成明顯的應(yīng)力集中，界面增多使材料容易開裂，降低了TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的塑性。

圖6 w(TiB2-TiCx)=0%～40% TiB2-TiCx/7075復(fù)合材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線與抗壓強(qiáng)度、壓縮率隨增強(qiáng)相含量變化曲線圖

圖7和圖8分別為TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料壓縮斷口的宏觀形貌圖和微觀形貌圖。由圖7可知，當(dāng)TiB2-TiCx含量為20%時(shí)，復(fù)合材料的斷口平整，斷面較為整齊，而隨著增強(qiáng)相含量的增加，復(fù)合材料的斷口呈不規(guī)則形狀，斷面與橫截面呈45°～55°夾角的傾斜平面，表明試樣因剪切而斷裂。由圖8可知：當(dāng)w(TiB2-TiCx)=10%，復(fù)合材料的壓縮斷口中出現(xiàn)了“類解理”平面，為準(zhǔn)解理斷裂的基本微觀特征，因此初步判定其斷裂機(jī)理為準(zhǔn)解理斷裂；當(dāng)w(TiB2-TiCx)=20%，復(fù)合材料的壓縮斷口中出現(xiàn)了河流狀花樣和臺階狀花樣，并且存在一條明顯的裂紋；當(dāng)w(TiB2-TiCx)=30%，復(fù)合材料的壓縮斷口呈晶粒狀；當(dāng)w(TiB2-TiCx)=40%，復(fù)合材料斷口中有典型的舌狀花樣，河流、解理和舌狀花樣均為解理斷裂的基本微觀特征。因此增強(qiáng)相含量由10%增至40%，TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的斷裂機(jī)理由準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頂嗔眩瑴?zhǔn)解理斷裂介于解理斷裂和韌窩斷裂之間，隨著增強(qiáng)相TiB2-TiCx含量的增加，降低了復(fù)合材料的塑性，斷裂機(jī)理轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頂嗔?。根?jù)斷口的失效分析可知：隨著增強(qiáng)相TiB2-TiCx含量的增加，復(fù)合材料中的TiB2-TiCx發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，基體與增強(qiáng)相間的界面也隨之增多，在壓縮過程中，材料承受的力通過基體傳給增強(qiáng)相時(shí)，由于TiB2-TiCx發(fā)生團(tuán)聚使增強(qiáng)相難與基體協(xié)調(diào)變形，且界面較多容易造成開裂現(xiàn)象，因此由準(zhǔn)解理斷裂變?yōu)榻饫頂嗔选?/p>

圖7 w(TiB2-TiCx)=10%～40% TiB2-TiCx/7075復(fù)合材料斷口宏觀形貌圖

圖8 w(TiB2-TiCx)=10%～40% TiB2-TiCx/7075復(fù)合材料斷口微觀形貌圖

3 結(jié) 論

通過使用高能球磨與熱壓燒結(jié)相結(jié)合的方法制備了w(TiB2-TiCx)=0%～40%的TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料，并對該復(fù)合材料的微觀組織、硬度以及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了分析，得出以下的結(jié)論：

1) 7075鋁合金中存在Al(Zn，Mn，Cu)固溶體相和富銅相，加入TiB2-TiCx增強(qiáng)相后，TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料中又出現(xiàn)TiB2、TiCx、Ti3B4和B4C等物相，當(dāng)TiB2-TiCx含量為20%時(shí)，增強(qiáng)相在基體中的分布比較均勻，而當(dāng)其含量增加至30%和40%時(shí)，TiB2-TiCx在基體中出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象且團(tuán)聚程度逐漸增大；

2) 隨著TiB2-TiCx含量的增加，TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的硬度呈現(xiàn)上升趨勢，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當(dāng)TiB2-TiCx含量為20%時(shí)，TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的維氏硬度為273.5 HV，與未添加TiB2-TiCx的7075鋁合金相比，硬度提高了239.7%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值為796.5MPa;

3) 當(dāng)TiB2-TiCx含量為10%時(shí)，TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的壓縮斷口中存在的“類解理”平面，此為準(zhǔn)解理斷裂的基本微觀特征，當(dāng)TiB2-TiCx含量增加到20%時(shí)，斷口中存在河流狀花樣和臺階狀花樣，當(dāng)TiB2-TiCx含量增至40%，斷口中存在舌狀花樣，均為解理斷裂的基本微觀特征。因此當(dāng)增強(qiáng)相含量由10%增至40%，TiB2-TiCx/7075Al基復(fù)合材料的斷裂機(jī)理由準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫頂嗔选?/p>