熱壓燒結(jié)Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

蘭慧鑫，李喜坤

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

熱壓燒結(jié)Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

蘭慧鑫，李喜坤

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

采用熱壓燒結(jié)方法制備Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3復(fù)合陶瓷材料，并用掃描電子顯微鏡觀察分析材料的微觀結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整熱壓燒結(jié)工藝，研究燒結(jié)溫度和保溫時間對Al2O3/ Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3材料的顯微組織與力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：燒結(jié)溫度能顯著影響陶瓷材料的顯微組織和力學(xué)性能，溫度在低于1650℃范圍內(nèi)，材料的致密度隨溫度升高而提高，力學(xué)性能也隨之提升；但燒結(jié)溫度超過1650℃時，晶粒異常長大，材料性能降低。熱壓燒結(jié)的保溫時間以15min為宜。在燒結(jié)溫度為1650℃、保溫時間15min下，熱壓燒結(jié)Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能良好，抗彎強(qiáng)度、維氏硬度、斷裂韌度分別為735MPa、20.45GPa、8.9MPa·m1/2。

Al2O3；Ti(C，N)；熱壓燒結(jié)；微觀結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

Al2O3基復(fù)合陶瓷是一種耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、化學(xué)性能穩(wěn)定的優(yōu)良材料，因而吸引著眾多材料科學(xué)研究者對其展開廣泛的研究[1]。經(jīng)過多年的探索，在氧化鋁基體中加入彌散相Ti(C，N)顆粒制備而成的Al2O3/ Ti(C，N)系復(fù)合陶瓷材料兼具Al2O3的優(yōu)點(diǎn)和碳氮化鈦高熔點(diǎn)、高硬度的特點(diǎn)，已長期在切削刀具領(lǐng)域獲得應(yīng)用[2-4]。但作為陶瓷材料固有的脆性影響了其發(fā)展前景。常用的改善脆性的方法主要有相變增韌、纖維或晶須增韌、顆粒增韌和復(fù)合增韌[5]，其中顆粒增韌方法簡單，能同時提高材料的強(qiáng)度和韌性，研究者居多。目前，在陶瓷基體中添加金屬延性粒子以增強(qiáng)增韌陶瓷復(fù)合材料是一種有效的途徑，如Al2O3-Ni[6]、(Ti,W)(C,N)-Co[7]，因而越來越受到重視。近年來，將金屬顆粒加入Al2O3/ Ti(C，N)的研究也多有報道。費(fèi)玉環(huán)等[8]用熱壓燒結(jié)法制備了Al2O3-TiN-TiC復(fù)合陶瓷材料，發(fā)現(xiàn)添加3vol%的 Mo時，材料的綜合力學(xué)性能最佳，抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和維氏硬度分別為 877MPa、6.32MPa·m1 /2和19.87GPa。李乾等[9]研究了Ni和Ti的含量對Al2O3-Ti(C，N)復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明Ni和Ti在燒結(jié)時能形成液相促進(jìn)材料的致密度，強(qiáng)化斷裂韌性，在Ni和Ti的添加量為5vol%時，材料的力學(xué)性能最好。

Al2O3/ Ti(C，N)系陶瓷復(fù)合材料多采用熱壓燒結(jié)的方式制得，為獲得性能良好的材料，熱壓燒結(jié)工藝的優(yōu)化選擇是重要影響因素。本文在Al2O3/Ti(C，N)中同時添加兩種金屬Cr、Nb，討論熱壓燒結(jié)溫度和保溫時間對復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響，制備出性能較好的Al2O3/ Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3復(fù)合陶瓷材料。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

以Al2O3和Ti(C，N)為主要成分，添加金屬 Cr、Nb作為粘結(jié)相，另加入體積比0.5%的稀土氧化物Y2O3為燒結(jié)助劑。采用的α-Al2O3和碳氮化鈦(TiC0.7N0.3)的平均粒徑分別為0.5μm、1μm，純度均高于99.5%，高純 Nb、Cr金屬粉和高純Y2O3粉體的粒徑均為1μm。先將Nb粉和Cr粉按原子比1：1配料后加入45mL無水乙醇和ZrO2陶瓷球，球磨混合48h配成金屬混合粉體(Nb+Cr)，再將Al2O3、Ti(C，N)、(Nb+Cr)、Y2O3粉體按體積比分別為59.5%、30%、10%、0.5%配料裝入球磨桶中混料48h，混合好的料漿放入真空干燥箱干燥。將干透的粉料用100目分樣篩過篩后放入石墨模具中，按表1的熱壓燒結(jié)參數(shù)制備復(fù)合材料試樣。

表1 熱壓燒結(jié)參數(shù)

熱壓得到的試樣經(jīng)切割、粗磨、精磨、拋光后制成4mm×3mm×36mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，用阿基米德排水法測定相對密度，用三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測試，跨距為20mm，加載速率為0.5mm/min。用壓痕法測量材料的維氏硬度和斷裂韌性，載荷為196N，保壓時間15s。用掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察試樣斷面的微觀組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3顯微組織

圖1是經(jīng)1650℃、保溫25min熱壓燒結(jié)后試樣的表面SEM圖。由圖1可知，試樣表面存在著黑色區(qū)域、灰色區(qū)域和白色區(qū)域。在電鏡中的黑色區(qū)域主要是Al2O3，灰色區(qū)域成分為Ti(C，N)，白色區(qū)域是金屬相Cr和Nb?？梢钥吹?，Ti(C，N)和金屬成分彌散分布在Al2O3基體上，微觀形貌比較均勻，孔隙較小，個別Ti(C，N)顆粒較大，有的大于5μm，而金屬在一些區(qū)域發(fā)生了聚集呈亮白色。

2.2 熱壓燒結(jié)溫度對Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3顯微組織與力學(xué)性能的影響

圖2是復(fù)合粉體在保溫時間15min、壓力25MPa的條件下，分別在1550℃、1600℃、1650℃和1700℃的不同溫度燒結(jié)后的試樣斷口SEM圖像。

圖1 1650℃、保溫25min的表面SEM圖

圖2 不同燒結(jié)溫度熱壓后的斷口SEM圖

從圖2a～圖2d可以看出，燒結(jié)溫度越高，最終材料的晶粒尺寸也越大。1550℃燒結(jié)后(圖2a)，在斷面中能觀察到大量未封閉的氣孔，結(jié)構(gòu)不緊密，材料的相對密度僅為97.4%，可推斷其力學(xué)性能較低。圖2b的斷口組織與圖2a相比較為致密，晶粒明顯發(fā)育長大，但仍能看到少量氣孔存在且孔隙較大，表明1600℃燒結(jié)仍不能使材料的密度接近理論密度。同時由圖2a和圖2b可知，在1550℃和1600℃下，材料的斷口形貌呈現(xiàn)出沿晶斷裂的痕跡，材料的斷裂韌性不會太高。圖2c中1650℃燒結(jié)后材料的斷口結(jié)構(gòu)非常致密，相對密度達(dá)到99.7%，可以發(fā)現(xiàn)斷面中的晶粒拔出和穿晶斷裂形貌，此溫度下材料存在沿晶和穿晶兩種斷裂形式。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)1700℃時(圖2d)，斷面中晶粒尺寸明顯變大，有的甚至超過6μm，組織分布也極不均勻，說明在1700℃下燒結(jié)，晶粒會過分長大，材料的力學(xué)性能反而會降低。

燒結(jié)溫度對材料力學(xué)性能的影響如圖3所示。

圖3 燒結(jié)溫度對力學(xué)性能的影響

由圖3可知，溫度對力學(xué)性能的影響很大。從圖3a可以看出，材料的抗彎強(qiáng)度在1550℃時最低，為548MPa；1600℃快速提升到674 MPa，這與此溫度下材料的致密化程度加快、結(jié)構(gòu)趨于致密一致；在1650℃時，抗彎強(qiáng)度最高達(dá)735 MPa，之后呈現(xiàn)下降趨勢，表明燒結(jié)溫度升高，晶粒異常長大對材料的抗彎強(qiáng)度不利。圖3b中維氏硬度的變化情況與圖3a的曲線變化大致相當(dāng)。隨燒結(jié)溫度的升高，維氏硬度先升高后降低，1650℃燒結(jié)后的試樣硬度最大，其值為20.45GPa。材料的斷裂韌度(圖3c)在1550℃～1600℃范圍內(nèi)的變化相對緩慢，僅提高了8.6%，斷裂模式以沿晶斷裂為主，而斷裂韌度在1650℃又達(dá)最高值8.9MPa·m1/2，這種現(xiàn)象主要是因?yàn)椴牧显跓Y(jié)溫度1650℃時發(fā)生穿晶斷裂，需要消耗更多的斷裂能，因而對韌性有顯著的提升效果。但當(dāng)燒結(jié)溫度為1700℃，由于硬質(zhì)相晶粒異常長大，將金屬顆粒擠到了大晶粒的邊緣，削弱了金屬顆粒對硬質(zhì)相的釘扎和強(qiáng)化作用，材料的韌性開始降低。

2.3 保溫時間對Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3顯微組織與力學(xué)性能的影響

圖4是復(fù)合粉體在燒結(jié)溫度1650℃、壓力25MPa下，分別經(jīng)5min、25min、35min的保溫時間熱壓燒結(jié)后試樣的斷口SEM形貌。

由圖4a可以看出，熱壓5min的試樣其斷面組織結(jié)構(gòu)相對疏松，由于復(fù)雜的物理化學(xué)變化尚未反應(yīng)完全，仍有少量氣孔沒有完全閉合，與圖2c相比較晶粒尺寸相差不大，但試樣相對密度為99.3%，此時材料主要發(fā)生沿晶斷裂，脆性較大，這表明5min的保溫時間太短，試樣的力學(xué)性能偏低。當(dāng)保溫時間延長到25min(圖4b)，對比圖2c可知，各相分布不均勻，斷面呈現(xiàn)出較多2μm以上的大顆粒。繼續(xù)增加保溫時間(圖4c)，可觀察到更多異常長大的晶粒，最大的已超過7μm，整個斷面變得雜亂不規(guī)則，雖然仍能看到穿晶斷裂形貌，但是此時的微觀結(jié)構(gòu)必將嚴(yán)重影響材料的整體性能。

圖5為燒結(jié)溫度1650℃、壓力25MPa下保溫時間對材料力學(xué)性能的影響。

圖4 不同保溫時間熱壓后的斷口SEM圖

圖5 保溫時間對力學(xué)性能的影響

從圖5可以看出，力學(xué)性能隨保溫時間的變化趨勢普遍呈先升高后降低的曲線。在保溫時間5～15min的范圍內(nèi)，材料的致密性隨時間延長逐漸提高，各相均勻分布，力學(xué)性能整體得到顯著提升，在保溫15min后，材料的抗彎強(qiáng)度、維氏硬度、斷裂韌度分別高達(dá)735 MPa、20.45GPa、8.9MPa·m1/2。之后將保溫時間增加到25min，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)力學(xué)性能有不同程度的下降，抗彎強(qiáng)度、維氏硬度、斷裂韌度分別降低了5.6%、4.8%和3.37%，進(jìn)一步延長保溫時間至35min，因Al2O3和Ti(C，N)晶粒的粗化長大，金屬粒子聚集在大晶粒邊緣，除維氏硬度小幅度下降外，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度都快速降低，說明保溫時間越長，材料力學(xué)性能越差，15min的保溫時間較為適宜。

3 結(jié)論

(1)通過熱壓燒結(jié)方法制備了Al2O3/ Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷復(fù)合材料，燒結(jié)溫度對材料的力學(xué)性能影響很大。在溫度低于1650℃，材料的致密程度隨溫度升高而提高，各項(xiàng)力學(xué)性能也隨之提升，但燒結(jié)溫度為1700℃時，晶粒異常長大，材料性能降低。

(2)熱壓燒結(jié)需要適當(dāng)?shù)谋貢r間。保溫時間太短，材料組分來不及充分反應(yīng)，力學(xué)性能較低，時間太長，晶粒發(fā)生長大，同樣對材料性能不利。

(3)熱壓燒結(jié)Al2O3/ Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷復(fù)合材料的最佳燒結(jié)溫度為1650℃，適宜的保溫時間為15min，此時材料的力學(xué)性能良好，抗彎強(qiáng)度、維氏硬度、斷裂韌度分別為735 MPa、20.45GPa、8.9MPa·m1/2。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Microstructures and Properties of Al2O3/Ti (C,N)-Nb-Cr-Y2O3Composite Ceramic Materials by Hot Pressing

LAN Huixin,LI Xikun

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Al2O3/Ti (C,N)-Nb-Cr-Y2O3composite ceramic materials were fabricated by hot-pressing method.,and the microstructures of the materials were analyzed by scanning electron microscopy.By adjusting the hot pressing process,the effects of sintering temperature and holding time on the microstructures and mechanical properties of Al2O3/Ti (C,N)-Nb-Cr-Y2O3composite ceramic materials were investigated.The results indicate that the sintering temperature can significantly affect the microstructure and mechanical properties of ceramic materials.In the temperature range of lower than 1650℃,the densities of the materials increase with increasing hot pressing temperature,and the mechanical properties are also improving.When the hot sintering temperature is above 1650℃,the increase of temperature will lead to the overgrowth of grains and the decrease of mechanical properties.Appropriate holding time is 15min.The Al2O3/Ti(C,N)-Nb-Cr-Y2O3ceramic composite hot-pressed at 1650℃ for 15min achieves better mechanical properties,the bending strength is 735MPa,the Vicker’s hardness is 20.45GPa,the fracture toughness is 8.9MPa·m1 / 2.

Al2O3;Ti(C，N);hot pressing;microstructure;mechanical property

2014-09-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274143);沈陽理工大學(xué)重大學(xué)科建設(shè)基金資助項(xiàng)目(lg1205)

蘭慧鑫(1987—),男,碩士研究生;李喜坤(1971—),男,副教授,博士,研究方向:高技術(shù)陶瓷結(jié)構(gòu)與性能.

1003-1251(2015)05-0001-06

TQ174

A