添加Al-Ti-B中間合金來改善氧化鋁基陶瓷材料的性能

1、添加Al-Ti-B中間合金來改善氧化鋁基陶瓷材料的性能摘要：在最近的工作中，提出一種改善的氧化鋁基陶瓷材料性能的新的技術(shù)，在此技術(shù)中，其中的Al，Al3Ti和TiB2是以Al-Ti-B中間合金的形式摻入Al2O3基陶瓷材料中的。復(fù)合材料Al2O3/TiB2/AlN/TiN是通過快速液相燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)出來的，在這些新相中，例如AlN和TiN是通過發(fā)生在Al，Ti和N2（保護氣氛）之間的化學(xué)反應(yīng)制備的。討論了復(fù)合材料Al-Ti-B體積含量與致密化速率之間的函數(shù)關(guān)系。檢測了復(fù)合材料的基本性能，如硬度，斷裂韌性和彎曲強度。分析了Al-Ti-B中間合金的體積含量與氧化鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能之間的關(guān)系。研究了

2、斷裂機制對力學(xué)性能的影響以及Al-Ti-B中間合金的細化性能。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；Al2O3；Al-Ti-B中間合金；細化性能1 前言氧化鋁有一些特殊性能，如高硬度，良好的化學(xué)惰性，高耐磨性和低成本，正吸引高級工程應(yīng)用相當大的興趣，如耐火材料，研磨，切削工具，和高溫軸承。然而，單片Al2O3脆性限制了它在工程中的應(yīng)用。如何提高單片氧化鋁的抗彎強度和斷裂韌性，已經(jīng)是很多年的一個重要課題1-8。研究人員試圖通過添加金屬間化合物例如，F(xiàn)e3Al9，F(xiàn)e-Al10，AlTiC11到氧化鋁基中，來提高單片氧化鋁的機械性能，并且獲得了許多有意義的結(jié)果。Al-Ti-B中間合金低價格允許其廣泛應(yīng)用于鋁及其合金1

3、2,13的細化技術(shù)中。然而，很少有文章報道Al-Ti-B中間合金細化氧化鋁基陶瓷材料中的應(yīng)用。蔡14等人認為這是在Al和N2的燒結(jié)反應(yīng)過程中生成，可以明顯改善Al2O3力學(xué)性能TiC復(fù)合材料。作為添加物，TiN15,16和TiB217,18也在強化氧化鋁基復(fù)合材料中扮演重要角色。Al-Ti-B中間合金由Al，Al3Ti和TiB2幾相19組成，以不同的體積含量加入到氧化鋁基陶瓷材料中，N2作為過程中熱壓燒結(jié)保護氣氛。具體的研究目的決定了Al-Ti-B中的Al和Ti，從Al3Ti中分離出來，是否能與N2反應(yīng)生成AlN和TiN。新形成的AlN和TiN與TiB2共同作用來提高氧化鋁基體材料的性能。2

4、實驗過程商業(yè)高純度小尺寸的晶粒（0.5-1mm）Al2O3（99.99%）粉末是常用的起始材料。由山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院開發(fā)的Al-Ti-B中間合金作為添加劑。在本研究中使用的合金的成分Al-5%Ti-1%B。AlTiB中間合金體積含量為5%25%體積，如表1中所列。AT0，AT5，AT10，AT15，AT20和AT25的后綴代表Al-Ti-B的體積含量。例如，AT5意思是Al-Ti-B的體積含量為5%。原材料與一種其它的混合物按一定的比例混合，在酒精介質(zhì)中球磨60h獲得均勻的混合物。然后將漿真空干燥和篩選。熱壓是用于在氮氣保護下燒結(jié)石墨模具混合粉末。將試樣加熱到1600（30每分鐘），在

5、30MPa的壓強下加熱35分鐘。試樣通過磨削機加工。標準試樣(3 mm×4mm×36 mm)的獲得是通過粗磨，完成金剛石砂輪磨和拋光。三點彎曲模式是用來與跨度的20mm和0.5mm/min的十字頭速度測量彎曲強度。彎曲強度是通過以下的公式計算的20： f=(3PL)/ (2bh2) (1)在上面這個公式中，f是彎曲強度（MPa），b是試樣的斷裂載荷，b和h分別是寬度和高度（mm），L是跨度（mm）。用顯微硬度計（MH-6）在測量拋光表面的維氏硬度，加載載荷為9.8N，加載時間5s。斷裂韌性測試方法采用壓痕硬度測試儀（HV-120）進行，結(jié)果是同Cook和Lawn21提出的公

6、式獲得的。X射線衍射（XRD）分析是對燒結(jié)前后的晶相進行分析。通過掃描電鏡（HITACHI S-570）觀察表面斷裂的微觀結(jié)構(gòu)。3 結(jié)果與討論3.1 X射線衍射金相分析X射線衍射分析燒結(jié)之前的AT15粉末和在1600燒結(jié)之后的AT15試樣，壓力為30MPa，35分鐘，分別顯示在圖1，2中。從圖1中可以清楚的看到球磨粉中存在Al2O3，TiB2，Al3Ti 和Al相，這顯示出Al-Ti-B中間合金是由TiB2， Al3Ti和Al幾相組成19。此外，Al2O3，TiB2，TiN和AlN幾相存在于AT15試樣中。最新形成的TiN和AlN可能通過以下方法制備：當溫度上升到100022，不穩(wěn)定的Al3T

7、i會溶解提供Ti和Al顆粒： Al3Ti3AlTi (2)燒結(jié)溫度是1600，高于Al的熔點（660）。因此，前面提到的Al-Ti-B中間合金和產(chǎn)生的Al可能處于熔融狀態(tài)下，有些可能在燒結(jié)過程中溢出，其它與N2（保護氣氛）反應(yīng)形成新相AlN： 2AlN22AlN (3)TiN是由溢出的Ti和N2的反應(yīng)。 2TiN22TiN (4)基于反應(yīng)的熱力學(xué)分析，我們可以得到以下的排名23：分別代表反應(yīng)(2)-(4)的吉布斯自由能，溫度分別為1000，1600，1600。XRD分析表明，Al2O3，AlN和TiN相TiB2，確實存在于前面提到的燒結(jié)試樣中。3.2 復(fù)合材料的致密化圖3顯示了燒結(jié)溫度1600

8、，壓力為30MPa，時間為35分鐘的情況下AT0，AT5，AT10，AT15，AT20和AT25的相對密度曲線。從數(shù)據(jù)中很清楚的看到AT0的相對密度只有94%，而Al2O3/TiB2/AlN/TiN復(fù)合材料的相對密度隨著Al-Ti-B中間合金從0增加到15%大幅增加（達到98.5%）。進一步添加Al-Ti-B中間合金AT25試樣的相對密度會降到97.3%。這主要是因為大量的TiB2，難以致密24。很明顯，復(fù)合材料的致密度隨著Al-Ti-B中間合金從0增加到15%而提高。和單塊Al2O3相比，AT15的最高相對密度值提高4.8%。3.3 力學(xué)性能圖4-6分別顯示了Al-Ti-B中間合金的含量與熱

9、壓Al2O3基陶瓷復(fù)合材料硬度，彎曲強度，斷裂韌性之間的關(guān)系。單片Al2O3的硬度和彎曲強度分別為17.64GPa和331.5MPa，斷裂韌性為3.52MPa m1/2。Kim等人發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料力學(xué)性能，如硬度，斷裂韌性和強度，隨著燒結(jié)試樣相對密度的提高而提高。不同體積及體積含量復(fù)合材料硬度，斷裂韌性和強度的變化與相對密度曲線類似。復(fù)合材料的硬度隨著Al-Ti-B含量的增加而提高，Al-Ti-B的含量從0上升到10%，達到最大值20GPa，然后從10%-25%開始下降。作為一般規(guī)則，復(fù)合材料的硬度應(yīng)隨低硬度Al-Ti-B量的增加而降低，圖4中的拋物線由最大值。有兩個因素影響復(fù)合材料的硬度，即一個

10、因素是Al-Ti-B合金的添加和另一個是致密性的影響。復(fù)合材料硬度提高的原因是因為致密性因子強于硬度因子，否則硬度就會降低。第一階段（添加物0-10%），致密性因子是主要的，硬度增強，然而硬度因子轉(zhuǎn)變成是主要因素，硬度降低。圖5，6顯示了Al-Ti-B中間合金對復(fù)合材料彎曲強度和斷裂韌性的影響互相之間相似。彎曲強度和斷裂韌性隨Al-Ti-B中間合金的增加而增加，在Al-Ti-B中間合金量達到15%時，達到最大值。Al-Ti-B中間合金量達到15%時，彎曲強度和斷裂韌性的值分別600MPa，8.44MPa m1/2，在15%之后降低。彎曲強度和斷裂韌性的這種趨勢與復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，這將在下

11、面討論。很明顯，制備Al2O3/TiB2/AlN/TiN復(fù)合材料，在1600燒結(jié)，壓力為30MPa，時間為35分鐘，機械性能比單片氧化鋁表現(xiàn)出顯著的改善。添加Al-Ti-B中間合金量為15%的復(fù)合材料顯示出更好地綜合力學(xué)性能，復(fù)合材料的硬度，彎曲強度，斷裂韌性分別達到19.3GPa，600MPa和8.44MPa m1/2，相對于單片Al2O3在同樣的燒結(jié)條件下分別強化了9.41,81和139.8%。3.4微觀結(jié)構(gòu)的分析圖7顯示了經(jīng)1600之后的Al2O3斷裂表面的掃描電鏡微觀照片，圖8-10分別顯示了AT5，AT15，AT25的電鏡照片。復(fù)合材料之間有顯著地微觀結(jié)構(gòu)差異。單片Al2O3的斷裂方

12、式主要是沿晶斷裂，并且平均晶粒尺寸約為20mm。Al-Ti-B中間合金的加入使復(fù)合材料的微觀組織變得更細和更均勻。添加5%Al-Ti-B中間合金是斷裂方式保持不變，當Al-Ti-B中間合金添加量達到15%時，斷裂方式轉(zhuǎn)變成穿晶斷裂和沿晶斷裂相結(jié)合，顯示在圖8和9中。Al-Ti-B中間合金進一步增加（體積含量25%）使斷裂方式主要是沿晶斷裂，伴有少量穿晶斷裂（圖10）。從圖9中可以看出，晶粒的結(jié)合變得更強時，斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔押脱鼐嗔严嘟Y(jié)合。換句話說，觀察到的一種斷裂方式由沿晶斷裂變?yōu)榇┚嗔押脱鼐嗔严嘟Y(jié)合可能導(dǎo)致抗彎強度和斷裂韌性顯著增加。主要原因是由于添加Al-Ti-B中間合金使復(fù)合

13、材料的晶界得到強化。 前面提到的單片Al2O3的平均晶粒尺寸約為20mm， AT5，AT15和AT25分別為3，2和5m 。在相同條件下，單片Al2O3的晶粒尺寸大于經(jīng)過Al-Ti-B中間合金強化的復(fù)合材料。這就顯示出復(fù)合材料晶粒的正常長大可能由于添加Al-Ti-B中間合金被限制。接下來是原因，Al-Ti-B中間合金由Al，Al3Ti和TiB2幾相組成，Al的熔點為660，所以開始液相燒結(jié)的溫度高于700。Al和N2的反應(yīng)首先發(fā)生在盤體。然而由于氮分子的化學(xué)鍵強度高，反應(yīng)發(fā)展緩慢，由于N2在Al中的溶解度很低且AlN的緊實使得N2很難滲入到AlN中。所以完成Al到AlN的轉(zhuǎn)變需要花很長的時間。

14、TiAl3是Al2O3非常有效地形合劑，但這個相在燒結(jié)溫度下會快速溶解且Ti是由TiAl3溶解提供的。據(jù)報道，Ti在細化純Al中起著重要的作用。此外，TiB2顆粒是分散的且不溶于熔融Al，作為非均勻形核的核心。這個行為僅僅是顆粒沉降和團聚的結(jié)果。Ti的存在改變了液態(tài)Al和固態(tài)Al2O3的交界面，同時Ti和N2或者O（O由Al2O3提供，Ti和O的復(fù)合物太小很難被XRD分析檢測到）的反應(yīng)提高Al和Al2O3的潤濕性。當溫度為800-1000，Al2O3在Al中溶解，在冷卻時，之前存在的Al2O3晶粒成為非均勻形核的核心，導(dǎo)致晶粒細化。在燒結(jié)過程結(jié)束，期待它們可能以流出或蒸發(fā)的方式溢出，Al幾乎完

15、全轉(zhuǎn)化為AlN，具有納米級的顆粒大小。這些納米顆粒的AlN和TiN，是由原位合成，均勻地分布在Al2O3基陶瓷材料和有助于細化效果。4結(jié)論復(fù)合材料Al2O3/TiB2/AlN/TiN是通過熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出來的。運用快速液相燒結(jié)，在這些新相中，例如AlN和TiN是通過發(fā)生在Al，Ti和N2之間的化學(xué)反應(yīng)制備的。AT15試樣的相對密度的最大值達到98.5%。Al-Ti-B中間合金添加量達到15%的復(fù)合材料顯示出較好的綜合性能，復(fù)合材料的硬度，彎曲強度，斷裂韌性分別達到19.3GPa，600MPa和8.44MPa m1/2。單片Al2O3的斷裂方式主要是沿晶斷裂。Al-Ti-B中間合金的加入使復(fù)合

16、材料的微觀組織變得更細和更均勻。Al-Ti-B中間合金添加量達到15%時，斷裂方式轉(zhuǎn)變成穿晶斷裂和沿晶斷裂相結(jié)合，可能提高導(dǎo)致抗彎強度和斷裂韌性。一個主要原因是復(fù)合材料的晶界強化，其它的是復(fù)合材料中Al2O3晶粒的正常長大可能由于添加Al-Ti-B中間合金被限制。致謝本文的工作是由國家教育部山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家基金支持。參考文獻1 Y. Ji, J.A. Yeomans, Processing and mechanical properties of Al2O35 vol.% Cr nanocomposites, J. Eur. Ceram. Soc. 22 (2002) 19271936.

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