Co，Ni，Ti增韌氧化鋁/碳化硅刀具復(fù)合材料的制備及性能評(píng)價(jià)

廖婷婷，李萌崛，陳德平，江萬(wàn)勇，陳嘉鑫

成都工業(yè)學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院

1 引言

Al2O3基陶瓷刀具是目前常用的陶瓷刀具之一，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗氧化性能，但較大的脆性和較低的韌性限制了陶瓷材料的生產(chǎn)與應(yīng)用[1，2]，而氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)作用能夠改善其韌性。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)添加Co，Ni，Ti等元素能夠進(jìn)一步提高氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，并且在抗彎強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度方面得到進(jìn)一步提升[3]。

鈷常作為補(bǔ)強(qiáng)型元素用于陶瓷材料中。李燕[4]采用TiN和TiC等陶瓷粉體原材料，以金屬Co作為黏結(jié)劑，制備了Ti(C，N)-Co金屬陶瓷材料。馬來(lái)鵬[5]采用包覆不同Co含量的Al2O3和TiC混合粉體在1500℃～1700℃條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，新制得復(fù)合材料的斷裂韌性和斷裂強(qiáng)度與原復(fù)合材料相比分別提高了59%和40%。

在Al2O3/SiC復(fù)合陶瓷材料中加入金屬元素Ni屬于顆粒彌散增韌方式。許崇海等[6]發(fā)明了一種添加鎳包覆六方氮化硼納米片復(fù)合粉體的自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料，該自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生液相，提高了自潤(rùn)滑陶瓷材料的燒結(jié)致密度，還能對(duì)自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料增韌補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)兼顧自潤(rùn)滑陶瓷刀具材料的力學(xué)性能和切削性能。

相關(guān)研究表明，當(dāng)金屬顆粒Ti作為第二相添加到陶瓷基體內(nèi)時(shí)，不僅可以改善陶瓷的燒結(jié)性能，還能通過(guò)多種增韌方式阻礙裂紋的擴(kuò)展速度(如裂紋的鈍化、橋連、偏轉(zhuǎn)和釘扎等)，從而提高強(qiáng)度[7]。孫蘭等[8]在冷壓成型后燒結(jié)制備了Ti(C，N)基金屬陶瓷，燒結(jié)溫度1300℃，燒結(jié)壓力60MPa，得到性能優(yōu)異的添加石墨烯的Ti(C，N)基金屬陶瓷，且便于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用和生產(chǎn)。

本文主要探討向氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料中分別添加Co，Ni，Ti三種元素的材料力學(xué)性能變化規(guī)律，并挑選出最適合的增韌元素。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 樣品制備

研究選用高純氧化鋁粉末(純度99.999%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)、加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的高純碳化硅粉末(純度99.99%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)作為基體材料，并分別加入鈷粉末(純度99.99%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)、鎳粉末(純度99.99%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)和鈦粉末(純度99.99%，粒徑65μm，益嘉金屬粉末)制備復(fù)合材料樣品，每種金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均設(shè)置為10%。制備過(guò)程主要采用行星式球磨(轉(zhuǎn)速250r/min，時(shí)間5h)，將粉體混合均勻后進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)(1400℃，20MPa，保溫30min)，分別制備得到摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料。

2.2 材料性能測(cè)試

采用TD-3500 X射線衍射儀對(duì)制得的復(fù)合材料進(jìn)行物相分析，掃描速度為6°/min，掃描范圍為30°～130°，步寬角度為0.04°，采樣時(shí)間為0.4s。

通過(guò)Archimedes排水法，采用DH-300直讀式電子比重計(jì)測(cè)量陶瓷材料密度，并結(jié)合理論密度計(jì)算其相對(duì)密度 (致密度)，其計(jì)算公式為

ρ=ρ實(shí)/ρ理

使用HXD-100TM/LCD維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量維氏硬度。通過(guò)三點(diǎn)彎曲法以及WDW-2.0萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試抗彎強(qiáng)度，試樣尺寸為30mm×4mm×3mm，設(shè)定試驗(yàn)機(jī)的橫梁速率為5mm/min，彎曲強(qiáng)度的計(jì)算公式為

σ=3FL/2bd2

式中，L為夾具的下跨距；b為試樣的寬度，b=4mm；d為試樣的高度，d=3mm。

采用ZEISS Gemini 300掃描電子顯微鏡對(duì)彎曲試樣的斷口截面進(jìn)行顯微圖像表征。

采用壓痕法測(cè)試材料的斷裂韌性，Anstis推導(dǎo)的壓痕法測(cè)試公式為

式中，KIC為斷裂韌性；β為測(cè)試常數(shù)，β=0.016；E為材料的楊氏模量(GPa)；H為材料的維氏硬度(GPa)；F為維氏硬度壓痕的作用載荷(N)；C為平均壓痕裂紋半徑(mm)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 XRD圖譜分析

如圖1所示，摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料的大部分峰位與純氧化鋁的峰位對(duì)應(yīng)。在復(fù)合材料中，由于碳化硅會(huì)以化合物的形式存在，XRD沒(méi)有識(shí)別[9]。當(dāng)加入Co元素后，在45位處有對(duì)應(yīng)CoSi峰位。當(dāng)加入Ni元素后，在45位處由Ni的峰位。當(dāng)加入Ti元素后，在42和60處明顯出現(xiàn)峰位，對(duì)應(yīng)著TiC或TiO2的峰位。當(dāng)加入Co元素后，在45位處有對(duì)應(yīng)的CoSi峰位；當(dāng)加入Ni元素后，在45位處有Ni的峰位；當(dāng)加入Ti元素后，在42和60位處明顯出現(xiàn)峰位，對(duì)應(yīng)TiC或TiO2的峰位。

圖1 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料XRD圖譜

在李德芃[10]制備的金屬陶瓷刀具中，45峰位的Co元素和50峰位的Ni元素與本研究吻合。高強(qiáng)等[11]制備的Ni/Ti2AlC復(fù)合材料中，也在45峰位發(fā)現(xiàn)了Ni特征峰位。李祥龍等[12]制備的c-BN增強(qiáng)(Ti，W)C基復(fù)合金屬陶瓷刀具材料，在62峰位處發(fā)現(xiàn)了TiC化合物特征峰。姜龍凱等[13]制備的TiC基復(fù)合陶瓷刀具材料，在42和60位處出現(xiàn)明顯TiC峰位。

3.2 成分分析

圖2分別為摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料能譜儀(EDS)成分分析。

(a)Al2O3/SiC-Co

(b)Al2O3/SiC-Ni

(c)Al2O3/SiC-Ti

3.3 致密度

由文獻(xiàn)可知，氧化鋁的理論密度為3.6g/cm3，碳化硅的理論密度為3.2g/cm3[14]，計(jì)算出含5%碳化硅的氧化鋁復(fù)合材料的理論密度為3.58g/cm3。同理計(jì)算出摻Co，Ni，Ti的復(fù)合材料的理論密度后，分別可得各復(fù)合材料的致密度值(見(jiàn)圖3)。

圖3 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料的致密度

由圖可以看出，氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料的致密度為95.24%，添加Co，Ni，Ti后，復(fù)合材料致密度分別為95.98%，95.82%，96.19%。可以發(fā)現(xiàn)，摻金屬元素的復(fù)合材料的致密度略高于氧化鋁/碳化硅，這是由于金屬的加入填充了氧化鋁和碳化硅晶體之間的間隙，減少了晶粒間缺陷，從而提高了復(fù)合材料的致密度。

3.4 硬度分析

由圖4可知，氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料的維氏硬度為5.81GPa，摻Co、摻Ni、摻Ti材料的維氏硬度分別為5.64GPa，7.39GPa，8.29GPa。與氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料相比，添加Co元素后，復(fù)合材料的硬度沒(méi)有明顯變化；添加Ni元素和Ti元素后，其硬度有顯著提升。

圖4 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料硬度

3.5 彎曲強(qiáng)度分析

如圖5所示，當(dāng)不加入任何金屬相元素時(shí)，氧化鋁/碳化硅材料的彎曲強(qiáng)度在366MPa左右；當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Co時(shí)，所得材料的彎曲強(qiáng)度在389MPa左右；當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Ni時(shí)，所得材料的彎曲強(qiáng)度在871MPa左右；當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Ti時(shí)，所得材料的彎曲強(qiáng)度接近988MPa?？梢园l(fā)現(xiàn)，加入Co元素和Ti元素后，其抗彎強(qiáng)度比Al2O3/SiC復(fù)合材料(不添加金屬元素)有顯著提升，這與硬度測(cè)試的結(jié)果是一致的。其中，摻Ti的Al2O3/SiC復(fù)合材料硬度和彎曲強(qiáng)度的提升幅度均最大。

圖5 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度

3.6 斷口形貌分析

由圖6可以看到，在氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料中(不添加金屬元素時(shí))存在明顯具有方向性的長(zhǎng)條狀柱狀晶；在摻有Co的斷口形貌中柱狀晶明顯減少，晶粒較為均勻；而在摻Ni和Ti的氧化鋁/碳化硅中有更小的晶粒，且有明顯方向性排布，斷口圖中有明顯的晶粒拔出空洞。說(shuō)明隨著金屬元素的添加，晶粒長(zhǎng)大受到了抑制，起到細(xì)化晶粒的作用，同時(shí)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中遇到偏轉(zhuǎn)劑或橋聯(lián)劑時(shí)，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)或互鎖，且顆粒被拔出基體時(shí)，金屬粒子可作為偏轉(zhuǎn)劑和橋聯(lián)劑，從而達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)增韌的作用[15]。

(a)Al2O3/SiC

(b)Al2O3/SiC-Co

(c)Al2O3/SiC-Ni (d)Al2O3/SiC-Ti

3.7 斷裂韌性分析

圖7為摻Co，Ni，Ti元素后復(fù)合材料的斷裂韌性?？梢钥闯觯趸X/碳化硅復(fù)合材料的斷裂韌性為6.63MPa·m1/2，當(dāng)添加鈷、鎳、鈦后，復(fù)合材料的斷裂韌性分別增加到7.75MPa·m1/2，7.9MPa·m1/2，8.9MPa·m1/2，與不添加金屬元素的復(fù)合材料相比，添加鈷、鎳、鈦能夠顯著增強(qiáng)斷裂韌性。此結(jié)果與文獻(xiàn)[16，17]的研究結(jié)果一致，金屬相第二顆粒的加入能抑制細(xì)化晶粒，增強(qiáng)晶界強(qiáng)度，且能與材料中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而提高材料致密度，增強(qiáng)材料的力學(xué)性能[16，17]。同時(shí)，斷裂韌性的分析結(jié)果也與硬度、彎曲強(qiáng)度和斷口形貌結(jié)果一致。

圖7 摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料斷裂韌性

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用真空熱壓燒結(jié)的方式，制備了摻Co，Ni，Ti的氧化鋁/碳化硅復(fù)合材料，通過(guò)試驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

(1)摻入Co，Ni，Ti后，復(fù)合材料的硬度提升到5.64GPa，7.39GPa，8.29GPa，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提升到389.2MPa，871.3MPa，987.5MPa，復(fù)合材料的斷裂韌性提高到7.75MPa·m1/2，7.9MPa·m1/2，8.9MPa·m1/2。

(2)添加Co，Ni，Ti三種金屬元素后，均能對(duì)復(fù)合材料起到補(bǔ)強(qiáng)增韌作用，其中摻Ti的補(bǔ)強(qiáng)增韌效果最好。