纳米sic颗粒增强铝基复合材料的制备与表征

纳米sic颗粒增强铝基复合材料的制备与表征

据niihara报道，在陶瓷基材料中添加少量纳米材料会显著提高材料的强度。纳米材料引起了材料研究人员的兴趣。其中,近几年纳米颗粒增强金属基复合材料是材料发展的一个重要的方向,具有优异的性能,特别是强度的大幅提高令人瞩目。颗粒增强金属基复合材料的性能与增强相的尺寸有很大关系,广泛使用的颗粒大都在3~30μm。研究表明,增强相颗粒尺寸越小,则增强效果越好。因为小颗粒不仅自身很少存在结构缺陷,而且其周围还具有更高的热错配位错密度。但粉末越细,表面积越大,表面能也越大,纳米粉就越容易以团聚的状态存在于金属基体,形成所谓的“纳米强化相的偏析区”,使晶粒细化不能达到最佳状态,也不能够充分发挥晶界强化的作用。因此,纳米粉体的分散程度是提高纳米复合强化的技术关键。应该尽量将纳米粉体分散成单颗粒状态,在基体中形成网状结构分布,对于硬度的提高会有更大的潜力。低温球磨是一种高能球磨过程,它是在低温媒质(如液氮、液氩等)中,对单质元素或者合金粉末进行高能低温球磨,与常温机械合金化的实质一样都是固态反应。在室温机械合金化过程中,粉末颗粒不断地被冷焊和破碎,如果粉末是延性的,则可能导致冷焊过程占主导地位,从而粉末聚集成团。而低温球磨时,由于低温下破碎过程占主导地位,使得延性组元断裂而使产物达到纳米量级。近年来,由于在液氮环境下,低温反应球磨制备出了具有良好热稳定性的纳米晶而被关注。首先,在液氮环境下通过机械合金化的方法制备出的纳米晶材料可以减少氧的污染;其次在低温环境下的球磨过程可以通过减少球磨过程中的热量聚集而改变粉末形变动力学的机理,使粉末在不断的断裂和冷焊过程中朝着更容易断裂的方向发展。1试验材料和方法1.1纳米sic粉的制备本试验采用纳米SiC颗粒和Al-Zn-Mg-Cu7000系Al合金粉,其化学成分(质量分数,%)为10Zn、3Mg、1.8Cu、余量Al;纳米SiC粉是从中国科技大学购进,呈灰色;7000系Al合金粉末采用气雾化技术制备。1.2纳米sic颗粒与铝合金粉的制备本试验选取两种成分制备复合材料。1号样品为5vol%SiC和95vol%气雾化铝合金粉末。2号样品为10vol%纳米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。具体制备过程为:(1)将纳米SiC颗粒和7000系铝合金粉在倾斜式混料机中预混10h;(2)将预混后的复合粉进行液氮球磨,8h后停止球磨,使纳米SiC颗粒均匀分布于复合粉末中;(3)将液氮球磨后的复合粉末装入模具内进行真空热压,得到坯锭;(4)采用800t挤压机把复合材料坯锭挤压成棒材,挤压比为14∶1。采用CambridgeS250MK2型扫描电子显微镜(SEM)观察颗粒和复合材料的形貌;用PHILIPSAPD-10型X射线衍射仪(CuKα辐射)分析材料的相结构;用HITACHIH-800透射电镜(TEM)研究材料的显微组织,加速电压为100kV。2试验结果与讨论2.1液氮球磨后混合粉的形貌纳米SiC粉的平均粒度80nm,体积分数为5vol%;7000系Al合金粉末采用气雾化技术制备。图1是原始的SiC粉的透射照片和XRD图谱,图2是Al合金雾化粉扫描照片、XRD图谱和EDS能谱。从图2中可以看出,雾化粉呈规则的球形。粉体经过200目筛子筛选,粒度大部分在50μm以下,体积分数为95vol%。(1)球磨后粉体的形貌和XRD分析首先把5vol%SiC和95vol%气雾化铝合金粉末在倾斜式混料机上预混10h,再添加到自行研制的搅拌式球磨机中进行低温球磨,液氮作为低温介质被不断地加入球磨罐体中以保持液氮浸过粉末。球磨罐由316L不锈钢制成,磨球材质为GCr15钢,直径为6.4mm。液氮球磨时罐内温度为133K,球磨机转速为200r/min,球料比为20∶1,球磨时间为8h。然后采用真空热压方法把纳米粉末致密化成形,热压温度为500℃,热压压强约500MPa,升温加热时间为2h。球磨后铝合金和SiC混合粉的扫描照片和XRD衍射图谱见图3。从图3a可以看出,粉体经过球磨之后,原始雾化粉的规则球状被破坏,但颗粒大小基本均匀,粒度大部分在50μm左右。为了验证混合粉是否为纳米级,取少许上述球磨8h后的纳米粉末加入盛有乙醇溶液的烧杯中,超声振荡1h,使团聚体破碎,纳米粒子均匀分散在乙醇溶液中;然后用玻璃棒蘸取少量溶液滴于微栅表面,做TEM试验。由图3b可知,液氮球磨后混合粉确实达到纳米级。分析原因是由于Al合金粉经球磨后颗粒粒度变小,直至纳米级。纳米的SiC和Al合金粉在液氮球磨过程中发生了团聚,从图3a中看到的就是复合粉末的团聚体。这是所谓纳米颗粒具有表面效应的原因所致。(2)挤压后块体的SEM和XRD分析球磨后的合金粉经热压、热挤压后,复合材料的微观组织见图4。图4a中无法看到增强相纳米SiC,而是看到一些团聚体。由EDS能谱得知图4a中白色颗粒为SiC,灰色区域为基体,可见纳米SiC可以均匀分布于Al合金中。另外,图4a中还可以看出在成形过程中有孔洞产生。利用图2b、图3c、图4b的XRD图谱,利用Scherrer公式,由Al衍射峰的半高宽计算相应晶面的平均粒径,得出球磨8h前、后合金粉末晶粒尺寸分别为35.559nm、19.143nm,热挤压后合金粉末的晶粒尺寸为30.175nm。可见,液氮球磨可以使颗粒细化,热压热挤压时,虽然晶粒长大,但仍然可以保持纳米级尺寸。2.32纳米sic复合材料的形貌分析(1)球磨后粉体的形貌和XRD分析为了探索提高复合材料伸长率的潜在性,本试验还采用另一种配料方法制备了2号样品。先把10vol%纳米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,总的来讲,各成分含量为5vol%纳米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)。文献提出,当有外力作用在复合材料上时,载荷传递就会如接力赛一样,从粗铝合金颗粒(未球磨铝合金颗粒)通过晶界传递到纳米级铝合金颗粒(液氮球磨后铝合金颗粒),之后再通过晶界传递到增强相纳米SiC颗粒。图5是10vol%纳米SiC粉和90vol%Al合金粉球磨后的扫描照片和XRD图谱。图5和图3相比,颗粒的团聚程度有所降低,分析原因是由于纳米SiC含量高的原因。将液氮球磨后的纳米SiC粉和Al合金粉同等量的未球磨的Al合金粉混合,在倾斜式混料机上混合10h,混合后粉的形貌和XRD衍射图谱见图6。由图6可以看出未球磨的铝合金粉和已经液氮球磨的SiC、铝合金粉混合基本均匀。图6中规则球状颗粒为未球磨的铝合金粉,非球状颗粒为球磨后的纳米SiC粉和Al合金粉。(2)挤压后块体的SEM和XRD分析图7是经热压、热挤压后的复合材料的扫描照片和XRD衍射图谱。由EDS能谱得知图7a中黑色区域是未球磨的Al合金,白色区域为已经液氮球磨的纳米SiC和Al合金。由此可见,SiC在铝合金基体中分布基本均匀,另外也发现,在制备的复合材料中有孔洞产生。利用图7b的XRD图谱,利用Scherrer公式,由Al衍射峰的半高宽计算相应晶面的平均粒径,得出热挤压后合金粉末的晶粒尺寸为32.646nm。可见,最后得到的复合材料仍然可以达到纳米级尺寸。另外,本试验对以上制备的两种复合材料的伸长率做了比较,1号样品伸长率为3.5%,2号样品伸长率为6.5%,此结果与文献的结论相吻合。3球磨法制备纳米sic复合材料(1)采用液氮球磨技术混粉,通过真空热压、热挤压成形工艺可以