1 引言
由于具有優異的力學性能如低的密度、高的強度和可調的彈性模量，顆粒增強鋁基復合材料在汽車制造、化學化工、航天工業等行業中具有很大的應用前景[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，我們研發了一種由Fe-AlxFey核殼結構增強的新型鋁基復合材料[12,14]。這種增強相是在燒結過程中通過純鐵和純鋁之間的固相反應在鋁基體中形成的[12,14]。與一些由陶瓷顆粒和純金屬間化合物顆粒增強的復合材料相比，采用這種特殊核殼結構作為增強相的復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過程中鋁和鐵之間的放熱反應產生的。
在這篇文章中，為了進一步提高此類新型復合材料的延展性，我們采用同樣的方法用鈦代替鐵來制備Ti-Al3Ti核殼結構增強鋁基復合材料。與大多數富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，加壓燒結分兩個階段，分別為660℃熱壓5h和630℃熱壓5h, 壓力為10 MPa。復合材料的密度采用阿基米德方法進行測定。復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對復合材料的相組成進行鑒定。復合材料的微觀結構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 結果分析與討論
3.1 物相與顯微組織
圖1a 是燒結樣品的XRD衍射圖譜。從圖中可以看出，該復合材料包括三個物相，分別是Al、Ti、Al3Ti。圖1b是復合材料的SEM圖片，表明大量的核殼結構顆粒均勻的分布在Al基體中。圖1c包含一張放大的SEM圖片和相應的EDS分析。從圖中可以看出，該復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核殼結構增強復合材料(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過程中Ti原子比Al原子擴散更快，這種現象稱為柯肯達爾效應。由于Ti擴散速度更快，來自于相反方向的Al原子流并不能占據全部的Ti原子位置，因此，沿著Ti擴散流的相反方向會出現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一側擴散而Ti將會向Al側擴散，這會導致界面沿著富Ti側移動而遠離富Al側。如果在此過程中沒有充分的塑形流變，空位將會在反應層中聚集而成空隙[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能力，在生坯中的一些大的殘留孔隙難以通過燒結完全消失而殘留在燒結態的復合材料中[14,23]。
圖1: (a) XRD衍射圖片，(b)背散射SEM圖片，(c)高倍數的SEM圖片和相應的能譜分析。
圖2a展示的是Ti-Al3Ti界面的TEM照片和相應的能譜分析。從圖中可以看出，原位生成的界面干凈并結合緊密。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。在Ti 和Al3Ti的小塊區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也被標注出來了。這個過渡區是模糊的，這通常歸咎于兩個原因。第一，根據Al-Ti二元相圖，在靠近Ti核的一側其他的金屬間化合物也有可能生成[24];第二，隨著燒結時間的增加，Al3Ti有可能轉變成其他的金屬間化合物[20]。Al3Ti與Al之間具有強的界面結合是由于Al3Ti與Al的晶體結構相對匹配很好，四方結構的Al3Ti(a=0.3848 nm and c=0.8596 nm)與α-Al的晶體結構是相當的。這就使得在Al3Ti在a和c方向上的界面應變和 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，具有核殼結構的顆粒均勻分布在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 力學性能
圖3a展示的是室溫下復合材料的壓縮應力-應變曲線。與采用同樣制備工藝制得的純Al的壓縮力學性能(屈服強度大約93 MPa、延展性大約46%)相比，復合材料的屈服強度已經增加到大約197 MPa，并且具有更好的延展性。這個令人興奮的結果主要是歸功于原位形成的核殼結構顆粒和強的界面結合。圖3b展示的是復合材料的室溫拉伸應力-應變曲線。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%，這遠低于該復合材料的壓縮力學性能。然而，相比于用Fe-AlxFey核殼結構增強的Al基復合材料(延展性低于1%)，該復合材料的拉伸力學性能(特別是延展性)已經獲得了巨大的提高。
圖3: (a) 室溫壓縮曲線，(b) 室溫拉伸曲線。
與采用Fe-AlxFey核殼結構增強的復合材料相比，這項工作中的Ti-Al3Ti核殼結構增強的復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，前面的研究已經表明厚的反應層對復合材料的性能是有害的，因為它本征容易形成微裂紋源[10]。在厚的反應層中，形核的裂紋可能能夠毫無阻礙地在脆性區域擴散或者沿著反應層擴散[10, 25];第三，由于純Al和純Ti在原位反應中具有更少的熱量釋放和體積膨脹，使得該復合材料具有更高的密度。
圖4是該復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。
在這些結果中，也應該注意到該復合材料在拉伸狀態下的強度和延展性比壓縮狀態下要低，這主要是歸咎于不同的應力狀態。在壓縮實驗中，復合材料中的空洞和微孔在壓縮應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)，并且復合材料也表現出更高的強度和延展性。在拉伸狀態下，復合材料中的空洞和微孔容易發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展成裂紋，從而減小復合材料的強度和延展性。我們的研究表明Ti-Al3Ti核殼結構顆粒增強的Al基復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，我們也可以得出結論，只要能夠控制孔隙度和金屬間化合物層的厚度，復合材料的力學性能將會得到進一步的提高。
4 結論
(1)采用傳統的粉末冶金方法能夠成功的制備一種以Ti-Al3Ti核殼結構作為增強相的Al基復合材料。
(2)由于原位形成的界面結合緊密以及特殊的增強相結構，該復合材具有高的壓縮強度和延展性。
(3)盡管在拉伸狀態下復合材料中的孔洞和微孔容易發展成更大尺寸的孔洞，該復合材料依然表現出良好的力學性能。
(4)該新型復合材料的制備為解決金屬基復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基金(51301206)的支持，在此表示感謝。
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聲明：
“Ti-Al3Ti 核殼結構增強鋁基復合材料的制備與力學性能” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：吉利娜
來源：中南大學
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