碳纳米管增强钛铝基复合材料的组织与性能_图文

1、Vol.26No.3安徽工业大学学报第26卷第3期July2009J.of Anhui University of Technology2009年7月文章编号:1671-7872(200903-0243-02碳纳米管增强钛铝基复合材料的组织与性能郭文生,袁晓敏,陈燕(安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002摘要:采用激光熔铸技术制备碳纳米管增强钛铝合金复合材料,对铸块的组织、结构及断口形貌进行分析。结果表明:铸块的基体主相为TiAl,Ti3Al合金,碳纳米管细化了基体组织晶粒,适量的碳纳米管提高了材料的硬度和韧性,w(CNTs=1.5%时,复合材料显微硬度(738HV与相同条件下

2、基体合金硬度(647HV相比提高了14%,材料断口为韧性断裂。关键词:钛铝合金;碳纳米管;复合材料;激光熔铸中图分类号:TB331文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1671-7872.2009.03.011Microstructure and Properties of Carbon Nanotubes Reinforced TiAl Alloys CompositeGUO Wen-sheng,YUAN Xiao-min,CHEN Yan(School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Tech

3、nology,Ma'anshan243002,ChinaAbstract:Prepared CNTs reinforced TiAl alloy composite by laser casting.The sample was characterized by scanning electron microscope(SEMand X-ray diffraction(XRD.The results showed that the main phase of the ingot is TiAl and Ti3Al alloy.A spot of CNTs remained on the

4、 fracture surface indicated it is ductile fracture. Besides,the microhardness was improved remarkably in comparison to TiAl matrix.Expecially,the microhardness was increased to738HV from647HV of TiAl matrix when w(CNTsis1.5%.Key words:TiAl alloy;carbon nanotubes;composites;laser casting碳纳米管(CNTs具有强度

5、高、弹性模量大、高温时稳定、密度小等特点1,被认为是理想的纳米晶须增强增韧材料及纤维类强化相的终极形式2。目前,人们在聚合物、金属和陶瓷等碳纳米管增强复合材料方面做过很多尝试,并取得了一些进展。TiAl合金密度低、耐热性好,具有高的比强度、比刚度等优点3,但其室温脆性以及中高温强度不足,严重地阻碍了TiAl基合金的应用4。利用激光快速熔凝的特点,激光熔铸Ti,Al,铝硅粉及碳纳米管混合粉,制备以力学性能优异的TiAl合金为基的碳纳米管增强复合材料。1试验材料与方法1.1试验材料纯度为99%-75m的Ti粉;纯度为99%-100m的Al粉;北京科学研究院生产的100m铝硅粉(Si 质量分数为11

6、.4%,文中百分数未标注的均为质量分数;中国科学院成都有机化学有限公司生产的多壁碳纳米管,碳纳米管规格参数为:管径3050nm,管长50m,纯度95%,灰份1.5%,视比容8.3mL/g,比表面积>60m2/g,电导率>102S/m。1.2试验方法将Ti,Al及铝硅粉中的Si按原子比为51.5:48:0.5混合得到Ti-48Al-0.5Si混合粉末,将多壁CNTs提纯除去其中的无定形碳,采用超声波分散,分散液为丙酮,分散时间为30min。CNTs经分散后与Ti-48Al-0.5Si 粉末混合。将混合粉末在星形球磨机中球磨16h,球磨在氩气气氛中进行。图1为1.5%CNTs的复合粉末

7、经收稿日期:2008-02-18作者简介:郭文生(1979-,男,陕西商洛人,硕士生。球磨16h后的形貌。由图1可以看出:CNTs在球磨过程中团聚倾向减小。在40MPa压力下将球磨后的混合粉末压成直径为13mm的型坯,先采用真空烧结炉对试样在550下烧结5h,烧结后复合材料铸块形貌如图2。由图2可以看到,CNTs与基体紧密结合,并均匀分散在基体中,未发生团聚(CNTs如图2中的a处。采用CO2激光器对烧结后的型坯进行激光熔铸试验,熔铸参数:功率为800W,扫描速率24mm/min,熔铸试验在氩气保护下进行。将得到的试样沿垂直于激光扫描方向制成断口。用显微硬度计测量不同CNTs含量的试样硬度,并

8、求平均值。用金相显微镜观察断面组织变化,试样腐蚀液采用2.5%HF+2.5%HNO3+95%H2O(体积分数的混合溶液;用扫描电镜观察断口形貌。2试验结果及分析2.1CNTs对复合材料组织的影响图3为含1.5%CNTs的CNTs/TiAl复合材料在800W功率下熔铸后的XRD图。由图3可以看到,主相为TiAl,Ti3Al和少量的Ti5Si3,没有出现含碳相的标识峰,表明复合材料在800W功率下能够熔合而不破坏CNTs。图4为复合材料的显微组织,由图4(b可以看出,复合材料的组织为细小片层状-TiAl和粒状的2-Ti3Al构成的双相组织,与不加CNTs时相比,组织晶粒明显细化。CNTs对晶粒的细

9、化作用主要是由于CNTs作为纳米级增强相的引入,形成了大量的微观界面,这些界面提供了较多优先形核的位置,在材料凝固过程中,TiAl合金在这些界面区域非均质形核,大大提高形核率;其次,CNTs相互连接阻碍初生相界面移动,延迟晶粒长大。2.2断口分析图5为复合材料的断口形貌,由图5(a可以看到,复合铸块断口部分区域有韧窝,表现为韧性断裂特征,表明材料具有较强的韧性。在复合材料断裂过程中,断口处CNTs由于承载了较大的载荷而发生断裂,一部分从基体中拔出,另一部分残留在基体当中(如图5(b中的A处,增加了拔出功,对材料韧性起到增强作用,这时CNTs的增韧机制主要以拔出机制为主。2.3CNTs含量对复合

10、材料硬度的影响CNTs含量对复合铸块硬度影响变化趋势如图6。由图6可以看到:在CNTs加入量小于1.5%的范围内,随CNTs加入量的增加,复合材料硬度不断升高;当CNTs加入量达到1.5%时,复合材料硬度达到最大值,为738HV,相对于基体硬度(647HV提高了14%,表明CNTs对复合材料硬度有显著的增强作用;当CNTs加入量超过1.5%时,硬度开始呈现下降趋势,这是因为CNTs加入量过大时,CNTs间相互缠结图1Ti-48Al-0.5Si-1.5%CNTs混合粉末经16h球磨后的形貌图2Ti-48Al-0.5Si-1.5%CNTs经5h烧结后的形貌图4复合材料的金相组织(a不加CNTs(b

11、加1.5%CNTs20m20m(a低倍形貌(b高倍形貌图5Ti-48Al-0.5Si-1.5%CNTs复合材料断口形貌100m100m 图6CNTs 对复合材料显微硬度的影响趋势图7407006606400.0 1.0 2.0 2.5w(碳纳米管/%平均显微硬度(HV14001200800400-TiAl-Ti3Al-Ti5Si315304560752/(°图3Ti-48Al-0.5Si-1.5%CNTs的XRD图强度(CPS(下转252页8郭振,温永红,胡水平,等.针状铁素体钢的组织类型及对性能的影响J.材料开发与应用,2007,22(6:5-8.9李鹤林,郭生武,冯耀荣,等.高强

12、度微合金管线钢显微组织析与鉴别图谱M.北京:石油工业出版社,2001.(责任编辑:何莉(上接244页成渣,在材料微观区域形成局部偏聚,隔绝了基体的连续性,导致复合材料硬度下降。3结论(1激光熔铸制备碳纳米管增强钛铝基复合材料时,铸块的基体主相为TiAl,Ti3Al和少量的Ti5Si3,当激光功率为800W时,CNTs/TiAl基复合材料能够熔合而不破坏碳纳米管。CNTs细化了复合材料组织晶粒, CNTs含量越高,组织晶粒越细小。(2复合材料铸块断口形貌分析表明:适当的CNTs含量对材料韧性起到增强作用,当CNTs加入量为1.5%时,部分区域断口表现为韧性断裂特征,并有少量的碳纳米管存在,CNTs增强机制主要为拔出增强。(3CNTs加入量对复合材料硬度有明显的影响;在CNTs加入量小于1.5%的范围内,随CNTs加入量的增加,材料显微硬度不断升高,在CNTs加入量为1.5%时,硬度达到最大值,为738HV,相对于基体显微硬度(647HV提高了14%;当CNTs超过1.5%时,显微硬度随CNTs含量增加而减小。参考文献:1Zhan Guo-Dong,Joshuad Kuntz,Wan Julin,et al.Single-wall carbon nanotubes as attractive toughening agents in alumina-basednanocompo