納米sic顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備與表征

納米sic顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備與表征

據(jù)niihara報道，在陶瓷基材料中添加少量納米材料會顯著提高材料的強度。納米材料引起了材料研究人員的興趣。其中,近幾年納米顆粒增強金屬基復(fù)合材料是材料發(fā)展的一個重要的方向,具有優(yōu)異的性能,特別是強度的大幅提高令人矚目。顆粒增強金屬基復(fù)合材料的性能與增強相的尺寸有很大關(guān)系,廣泛使用的顆粒大都在3~30μm。研究表明,增強相顆粒尺寸越小,則增強效果越好。因為小顆粒不僅自身很少存在結(jié)構(gòu)缺陷,而且其周圍還具有更高的熱錯配位錯密度。但粉末越細(xì),表面積越大,表面能也越大,納米粉就越容易以團聚的狀態(tài)存在于金屬基體,形成所謂的“納米強化相的偏析區(qū)”,使晶粒細(xì)化不能達(dá)到最佳狀態(tài),也不能夠充分發(fā)揮晶界強化的作用。因此,納米粉體的分散程度是提高納米復(fù)合強化的技術(shù)關(guān)鍵。應(yīng)該盡量將納米粉體分散成單顆粒狀態(tài),在基體中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布,對于硬度的提高會有更大的潛力。低溫球磨是一種高能球磨過程,它是在低溫媒質(zhì)(如液氮、液氬等)中,對單質(zhì)元素或者合金粉末進行高能低溫球磨,與常溫機械合金化的實質(zhì)一樣都是固態(tài)反應(yīng)。在室溫機械合金化過程中,粉末顆粒不斷地被冷焊和破碎,如果粉末是延性的,則可能導(dǎo)致冷焊過程占主導(dǎo)地位,從而粉末聚集成團。而低溫球磨時,由于低溫下破碎過程占主導(dǎo)地位,使得延性組元斷裂而使產(chǎn)物達(dá)到納米量級。近年來,由于在液氮環(huán)境下,低溫反應(yīng)球磨制備出了具有良好熱穩(wěn)定性的納米晶而被關(guān)注。首先,在液氮環(huán)境下通過機械合金化的方法制備出的納米晶材料可以減少氧的污染;其次在低溫環(huán)境下的球磨過程可以通過減少球磨過程中的熱量聚集而改變粉末形變動力學(xué)的機理,使粉末在不斷的斷裂和冷焊過程中朝著更容易斷裂的方向發(fā)展。1試驗材料和方法1.1納米sic粉的制備本試驗采用納米SiC顆粒和Al-Zn-Mg-Cu7000系A(chǔ)l合金粉,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為10Zn、3Mg、1.8Cu、余量Al;納米SiC粉是從中國科技大學(xué)購進,呈灰色;7000系A(chǔ)l合金粉末采用氣霧化技術(shù)制備。1.2納米sic顆粒與鋁合金粉的制備本試驗選取兩種成分制備復(fù)合材料。1號樣品為5vol%SiC和95vol%氣霧化鋁合金粉末。2號樣品為10vol%納米SiC粉和90vol%Al合金粉液氮球磨后再加等量的未球磨的Al合金粉。具體制備過程為:(1)將納米SiC顆粒和7000系鋁合金粉在傾斜式混料機中預(yù)混10h;(2)將預(yù)混后的復(fù)合粉進行液氮球磨,8h后停止球磨,使納米SiC顆粒均勻分布于復(fù)合粉末中;(3)將液氮球磨后的復(fù)合粉末裝入模具內(nèi)進行真空熱壓,得到坯錠;(4)采用800t擠壓機把復(fù)合材料坯錠擠壓成棒材,擠壓比為14∶1。采用CambridgeS250MK2型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顆粒和復(fù)合材料的形貌;用PHILIPSAPD-10型X射線衍射儀(CuKα輻射)分析材料的相結(jié)構(gòu);用HITACHIH-800透射電鏡(TEM)研究材料的顯微組織,加速電壓為100kV。2試驗結(jié)果與討論2.1液氮球磨后混合粉的形貌納米SiC粉的平均粒度80nm,體積分?jǐn)?shù)為5vol%;7000系A(chǔ)l合金粉末采用氣霧化技術(shù)制備。圖1是原始的SiC粉的透射照片和XRD圖譜,圖2是Al合金霧化粉掃描照片、XRD圖譜和EDS能譜。從圖2中可以看出,霧化粉呈規(guī)則的球形。粉體經(jīng)過200目篩子篩選,粒度大部分在50μm以下,體積分?jǐn)?shù)為95vol%。(1)球磨后粉體的形貌和XRD分析首先把5vol%SiC和95vol%氣霧化鋁合金粉末在傾斜式混料機上預(yù)混10h,再添加到自行研制的攪拌式球磨機中進行低溫球磨,液氮作為低溫介質(zhì)被不斷地加入球磨罐體中以保持液氮浸過粉末。球磨罐由316L不銹鋼制成,磨球材質(zhì)為GCr15鋼,直徑為6.4mm。液氮球磨時罐內(nèi)溫度為133K,球磨機轉(zhuǎn)速為200r/min,球料比為20∶1,球磨時間為8h。然后采用真空熱壓方法把納米粉末致密化成形,熱壓溫度為500℃,熱壓壓強約500MPa,升溫加熱時間為2h。球磨后鋁合金和SiC混合粉的掃描照片和XRD衍射圖譜見圖3。從圖3a可以看出,粉體經(jīng)過球磨之后,原始霧化粉的規(guī)則球狀被破壞,但顆粒大小基本均勻,粒度大部分在50μm左右。為了驗證混合粉是否為納米級,取少許上述球磨8h后的納米粉末加入盛有乙醇溶液的燒杯中,超聲振蕩1h,使團聚體破碎,納米粒子均勻分散在乙醇溶液中;然后用玻璃棒蘸取少量溶液滴于微柵表面,做TEM試驗。由圖3b可知,液氮球磨后混合粉確實達(dá)到納米級。分析原因是由于Al合金粉經(jīng)球磨后顆粒粒度變小,直至納米級。納米的SiC和Al合金粉在液氮球磨過程中發(fā)生了團聚,從圖3a中看到的就是復(fù)合粉末的團聚體。這是所謂納米顆粒具有表面效應(yīng)的原因所致。(2)擠壓后塊體的SEM和XRD分析球磨后的合金粉經(jīng)熱壓、熱擠壓后,復(fù)合材料的微觀組織見圖4。圖4a中無法看到增強相納米SiC,而是看到一些團聚體。由EDS能譜得知圖4a中白色顆粒為SiC,灰色區(qū)域為基體,可見納米SiC可以均勻分布于Al合金中。另外,圖4a中還可以看出在成形過程中有孔洞產(chǎn)生。利用圖2b、圖3c、圖4b的XRD圖譜,利用Scherrer公式,由Al衍射峰的半高寬計算相應(yīng)晶面的平均粒徑,得出球磨8h前、后合金粉末晶粒尺寸分別為35.559nm、19.143nm,熱擠壓后合金粉末的晶粒尺寸為30.175nm。可見,液氮球磨可以使顆粒細(xì)化,熱壓熱擠壓時,雖然晶粒長大,但仍然可以保持納米級尺寸。2.32納米sic復(fù)合材料的形貌分析(1)球磨后粉體的形貌和XRD分析為了探索提高復(fù)合材料伸長率的潛在性,本試驗還采用另一種配料方法制備了2號樣品。先把10vol%納米SiC粉和90vol%Al合金粉液氮球磨8h后,再和等量的未球磨Al合金粉混合。因此,總的來講,各成分含量為5vol%納米SiC(液氮球磨粉),45vol%Al合金粉(液氮球磨),50%Al合金粉(未液氮球磨)。文獻(xiàn)提出,當(dāng)有外力作用在復(fù)合材料上時,載荷傳遞就會如接力賽一樣,從粗鋁合金顆粒(未球磨鋁合金顆粒)通過晶界傳遞到納米級鋁合金顆粒(液氮球磨后鋁合金顆粒),之后再通過晶界傳遞到增強相納米SiC顆粒。圖5是10vol%納米SiC粉和90vol%Al合金粉球磨后的掃描照片和XRD圖譜。圖5和圖3相比,顆粒的團聚程度有所降低,分析原因是由于納米SiC含量高的原因。將液氮球磨后的納米SiC粉和Al合金粉同等量的未球磨的Al合金粉混合,在傾斜式混料機上混合10h,混合后粉的形貌和XRD衍射圖譜見圖6。由圖6可以看出未球磨的鋁合金粉和已經(jīng)液氮球磨的SiC、鋁合金粉混合基本均勻。圖6中規(guī)則球狀顆粒為未球磨的鋁合金粉,非球狀顆粒為球磨后的納米SiC粉和Al合金粉。(2)擠壓后塊體的SEM和XRD分析圖7是經(jīng)熱壓、熱擠壓后的復(fù)合材料的掃描照片和XRD衍射圖譜。由EDS能譜得知圖7a中黑色區(qū)域是未球磨的Al合金,白色區(qū)域為已經(jīng)液氮球磨的納米SiC和Al合金。由此可見,SiC在鋁合金基體中分布基本均勻,另外也發(fā)現(xiàn),在制備的復(fù)合材料中有孔洞產(chǎn)生。利用圖7b的XRD圖譜,利用Scherrer公式,由Al衍射峰的半高寬計算相應(yīng)晶面的平均粒徑,得出熱擠壓后合金粉末的晶粒尺寸為32.646nm。可見,最后得到的復(fù)合材料仍然可以達(dá)到納米級尺寸。另外,本試驗對以上制備的兩種復(fù)合材料的伸長率做了比較,1號樣品伸長率為3.5%,2號樣品伸長率為6.5%,此結(jié)果與文獻(xiàn)的結(jié)論相吻合。3球磨法制備納米sic復(fù)合材料(1)采用液氮球磨技術(shù)混粉,通過真空熱壓、熱擠壓成形工藝可以