1 引言
由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能如低的密度、高的強度和可調(diào)的彈性模量，顆粒增強鋁基復(fù)合材料在汽車制造、化學(xué)化工、航天工業(yè)等行業(yè)中具有很大的應(yīng)用前景[1,2]。然而，增強相(通常是陶瓷顆?；蚪饘匍g化合物)的加入往往會嚴重損害復(fù)合材料的延展性和韌性。這種對延展性和韌性的損害主要歸咎于兩種可能的原因。首先，如果基體和增強相的界面結(jié)合不強，在變形過程中裂紋就容易沿著界面形核[3-5]。其次，即使具有良好的界面結(jié)合，一旦外部載荷達到一定臨界值，脆的陶瓷或者金屬間化合物顆粒非常容易斷裂[6-13]。最近，我們研發(fā)了一種由Fe-AlxFey核殼結(jié)構(gòu)增強的新型鋁基復(fù)合材料[12,14]。這種增強相是在燒結(jié)過程中通過純鐵和純鋁之間的固相反應(yīng)在鋁基體中形成的[12,14]。與一些由陶瓷顆粒和純金屬間化合物顆粒增強的復(fù)合材料相比，采用這種特殊核殼結(jié)構(gòu)作為增強相的復(fù)合材料同時擁有高的強度和壓縮延性(高達40%)[14]。然而，由于殘留空隙的存在，其拉伸延性是非常低的(低于1%)。這些殘留空隙主要是由相變過程中的體積膨脹和燒結(jié)過程中鋁和鐵之間的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的。
在這篇文章中，為了進一步提高此類新型復(fù)合材料的延展性，我們采用同樣的方法用鈦代替鐵來制備Ti-Al3Ti核殼結(jié)構(gòu)增強鋁基復(fù)合材料。與大多數(shù)富Al金屬間化合物相比，Al3Ti由于具有高的熔點(1623 K)、楊氏模量(~216 GPa)以及低的密度(3.4g/cm3)而具有吸引力[15]。此外，鈦在鋁中具有低的擴散速率和溶解度，以至于Al3Ti在高溫下會表現(xiàn)出低的粗化速率[15, 16]。更重要的是，在形成Al3Ti的過程中體積改變和熱量釋放是相對較低的，這有助于復(fù)合材料獲得高的密度和低的孔隙度[17,18]。
2 實驗
原料采用純度為99.8%、平均粒徑為2 μm由氣霧化法制得的鋁粉和純度為99.5%、平均粒徑為40 μm的商用鈦粉，鈦粉的體積分數(shù)為10%。將加入酒精作為液體媒介的Ti 粉和Al 粉在行星式球磨機中球磨5h，球磨機轉(zhuǎn)速為300 r/min。球磨時充入氬氣作為保護氣氛，其中球磨混料中的球料比為5:1。將混合后的粉末在75℃干燥5 h，然后在400 MPa壓力在室溫下將其單軸壓制成直徑為50 mm的生坯。隨后，為了進一步使生坯致密化，將其在等靜壓力為150 MPa下等靜保壓10 min。將生坯置于石墨模具中進行加壓，加壓燒結(jié)分兩個階段，分別為660℃熱壓5h和630℃熱壓5h, 壓力為10 MPa。復(fù)合材料的密度采用阿基米德方法進行測定。復(fù)合材料的強度和延展性采用壓縮和拉伸實驗進行測定。壓縮實驗的樣品為直徑為3 mm、高度為 5mm的小圓柱，測試設(shè)備為Instron 3369萬能測試機，壓頭的速度為1 mm/min。拉伸樣品采用線切割加工成標距為8 mm、端面為4×3 mm2，拉伸實驗也在Instron 3369萬能測試機上進行，壓頭的速度為1 mm/min。屈服強度采用補償0.2%進行確定。采用D/max2550pc X-ray對復(fù)合材料的相組成進行鑒定。復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)采用配備有能譜分析的FEI Nova Nano230 掃描電鏡和Titan G2 60-300透射電鏡進行表征。透射電鏡樣品采用聚焦離子束進行制備。
3 結(jié)果分析與討論
3.1 物相與顯微組織
圖1a 是燒結(jié)樣品的XRD衍射圖譜。從圖中可以看出，該復(fù)合材料包括三個物相，分別是Al、Ti、Al3Ti。圖1b是復(fù)合材料的SEM圖片，表明大量的核殼結(jié)構(gòu)顆粒均勻的分布在Al基體中。圖1c包含一張放大的SEM圖片和相應(yīng)的EDS分析。從圖中可以看出，該復(fù)合材料由三種不同的相組成，包括黑色的基體、白色的核和灰色的殼。EDS結(jié)果表明黑色的基體是純Al, 白色的核是純Ti, 而灰色的殼由71%的Al和29%的Ti組成，表明這個核是原位形成的金屬間化合物Al3Ti。該復(fù)合材料的相對密度是95.7%，它高于用同樣的方法制備的Fe-AlxFey核殼結(jié)構(gòu)增強復(fù)合材料(大約92.8%)[15]。然而，從圖1c中可以看出少量的空隙仍然存在于靠近Al基體的金屬間化合物層中和Al基體中(在圖中分別用黑色和白色的箭頭標出)。在金屬間化合物層中的空隙主要是由于在燒結(jié)過程中Ti原子比Al原子擴散更快，這種現(xiàn)象稱為柯肯達爾效應(yīng)。由于Ti擴散速度更快，來自于相反方向的Al原子流并不能占據(jù)全部的Ti原子位置，因此，沿著Ti擴散流的相反方向會出現(xiàn)空位流的擴散來彌補Ti和Al擴散流之間的差異。然后空位會向Ti一側(cè)擴散而Ti將會向Al側(cè)擴散，這會導(dǎo)致界面沿著富Ti側(cè)移動而遠離富Al側(cè)。如果在此過程中沒有充分的塑形流變，空位將會在反應(yīng)層中聚集而成空隙[19-22]。在Al基體中孔隙的存在可能是由于Al顆粒的氧化層和壓坯中的殘留空隙。氧化層能夠通過阻礙元素擴散來顯著降低固相燒結(jié)能力，在生坯中的一些大的殘留孔隙難以通過燒結(jié)完全消失而殘留在燒結(jié)態(tài)的復(fù)合材料中[14,23]。
圖1: (a) XRD衍射圖片，(b)背散射SEM圖片，(c)高倍數(shù)的SEM圖片和相應(yīng)的能譜分析。
圖2a展示的是Ti-Al3Ti界面的TEM照片和相應(yīng)的能譜分析。從圖中可以看出，原位生成的界面干凈并結(jié)合緊密。α-Ti 通常被認為是“開放性”金屬，其擁有比普通的密排立方金屬大的多的電子/原子半徑比[21]。因此Al能夠間隙固溶在α-Ti中并借助間隙固溶機制加速擴散，這有助于Ti-Al3Ti界面的緊密結(jié)合。圖2b是界面的高分辨TEM圖片，其表明在α-Ti與Al3Ti之間存在一個過渡區(qū)。在Ti 和Al3Ti的小塊區(qū)域被進一步放大并嵌入圖2b中，在這兩個放大的圖中兩相的晶格參數(shù)也被標注出來了。這個過渡區(qū)是模糊的，這通常歸咎于兩個原因。第一，根據(jù)Al-Ti二元相圖，在靠近Ti核的一側(cè)其他的金屬間化合物也有可能生成[24];第二，隨著燒結(jié)時間的增加，Al3Ti有可能轉(zhuǎn)變成其他的金屬間化合物[20]。Al3Ti與Al之間具有強的界面結(jié)合是由于Al3Ti與Al的晶體結(jié)構(gòu)相對匹配很好，四方結(jié)構(gòu)的Al3Ti(a=0.3848 nm and c=0.8596 nm)與α-Al的晶體結(jié)構(gòu)是相當?shù)?。這就使得在Al3Ti在a和c方向上的界面應(yīng)變和 是較小的[11]。這樣的計算方法使得我們能夠得出α-Al將傾向于與Al3Ti形成一種共格的界面。因此，在增強相與基體之間的界面是足以將外部的載荷有效從軟的Al基體傳遞到增強相上。
圖2: (a) TEM圖片和相應(yīng)能譜分析，(b) Ti/Al3Ti界面的TEM高分辨圖片。
正如圖1b中所示，具有核殼結(jié)構(gòu)的顆粒均勻分布在Al基體中并且金屬間化合物層的厚度大約為2 μm。圖2也顯示共格的界面干凈并且結(jié)合緊密，能夠有效的將外部載荷從基體傳遞到增強相上。一但應(yīng)力集中達到一個臨界值，脆的Al3Ti層就會斷裂并且使得微裂紋形核。然而，當裂紋在擴展的過程中接觸到軟的Al基體和Ti核，裂紋的尖端就會鈍化，從而阻止裂紋的擴展并提高延展性。
3.2 力學(xué)性能
圖3a展示的是室溫下復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。與采用同樣制備工藝制得的純Al的壓縮力學(xué)性能(屈服強度大約93 MPa、延展性大約46%)相比，復(fù)合材料的屈服強度已經(jīng)增加到大約197 MPa，并且具有更好的延展性。這個令人興奮的結(jié)果主要是歸功于原位形成的核殼結(jié)構(gòu)顆粒和強的界面結(jié)合。圖3b展示的是復(fù)合材料的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，它的拉伸屈服強度、最終拉伸強度、拉伸延展性分別是大約156 MPa、172 MPa、~5%，這遠低于該復(fù)合材料的壓縮力學(xué)性能。然而，相比于用Fe-AlxFey核殼結(jié)構(gòu)增強的Al基復(fù)合材料(延展性低于1%)，該復(fù)合材料的拉伸力學(xué)性能(特別是延展性)已經(jīng)獲得了巨大的提高。
圖3: (a) 室溫壓縮曲線，(b) 室溫拉伸曲線。
與采用Fe-AlxFey核殼結(jié)構(gòu)增強的復(fù)合材料相比，這項工作中的Ti-Al3Ti核殼結(jié)構(gòu)增強的復(fù)合材料具有更好的壓縮和拉伸延展性，這主要歸功于以下三個原因。第一，界面共格并且界面結(jié)合緊密，使得其可以將更大的載荷從基體傳遞到增強相上;第二，金屬間化合物層的厚度更薄，前面的研究已經(jīng)表明厚的反應(yīng)層對復(fù)合材料的性能是有害的，因為它本征容易形成微裂紋源[10]。在厚的反應(yīng)層中，形核的裂紋可能能夠毫無阻礙地在脆性區(qū)域擴散或者沿著反應(yīng)層擴散[10, 25];第三，由于純Al和純Ti在原位反應(yīng)中具有更少的熱量釋放和體積膨脹，使得該復(fù)合材料具有更高的密度。
圖4是該復(fù)合材料在壓縮和拉伸后靠近斷裂面的SEM圖片。從圖中可以看出，在變形過程中形核的裂紋都被有效限制在金屬間化合物殼層中(如圖中黑色箭頭所示)。從圖中還可以看出，一些大的空洞能夠在拉伸斷裂的樣品中觀察到，而在壓縮斷裂的樣品中觀察不到。
圖4: 靠近斷裂面附近的背散射SEM圖片(a) 壓縮斷裂后，(b) 拉伸斷裂后。
在這些結(jié)果中，也應(yīng)該注意到該復(fù)合材料在拉伸狀態(tài)下的強度和延展性比壓縮狀態(tài)下要低，這主要是歸咎于不同的應(yīng)力狀態(tài)。在壓縮實驗中，復(fù)合材料中的空洞和微孔在壓縮應(yīng)力的作用下能夠閉合。因此在壓縮后的基體中很難觀察到孔洞和微孔(如圖4a所示)，并且復(fù)合材料也表現(xiàn)出更高的強度和延展性。在拉伸狀態(tài)下，復(fù)合材料中的空洞和微孔容易發(fā)展成為更大尺寸的孔洞(如圖4b所示)。這些大尺寸的孔洞容易發(fā)展成裂紋，從而減小復(fù)合材料的強度和延展性。我們的研究表明Ti-Al3Ti核殼結(jié)構(gòu)顆粒增強的Al基復(fù)合材料具有良好的性能，包括高的壓縮強度和延展性，相對好的拉伸強度和延展性。并且，我們也可以得出結(jié)論，只要能夠控制孔隙度和金屬間化合物層的厚度，復(fù)合材料的力學(xué)性能將會得到進一步的提高。
4 結(jié)論
(1)采用傳統(tǒng)的粉末冶金方法能夠成功的制備一種以Ti-Al3Ti核殼結(jié)構(gòu)作為增強相的Al基復(fù)合材料。
(2)由于原位形成的界面結(jié)合緊密以及特殊的增強相結(jié)構(gòu)，該復(fù)合材具有高的壓縮強度和延展性。
(3)盡管在拉伸狀態(tài)下復(fù)合材料中的孔洞和微孔容易發(fā)展成更大尺寸的孔洞，該復(fù)合材料依然表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。
(4)該新型復(fù)合材料的制備為解決金屬基復(fù)合材料中強度和塑形的矛盾提供了一種可能的解決方案，并為生產(chǎn)對材料綜合性能要求較高的部件提供了選材參考。
致謝
該項目得到了國家自然科學(xué)基金(51301206)的支持，在此表示感謝。
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聲明：
“Ti-Al3Ti 核殼結(jié)構(gòu)增強鋁基復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：中南大學(xué)
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