简介概要

Fe₃Al纳米粒子增强Al₂O₃陶瓷的制备及性能

来源期刊：中国有色金属学报2003年第1期

论文作者：龚红宇尹衍升郝春成刘英才王昕

文章页码：188 - 192

关键词：Fe₃Al； Al₂O₃；纳米复合材料；热压烧结

Key words：Fe₃Al； Al₂O₃； nanocomposite； hot pressing

摘要：用热压烧结法制备了纳米Fe₃Al粒子增强Al₂O₃基复合材料。研究了1450～1600℃不同烧结温度下纳米Fe₃Al的加入量与材料的致密度、力学性能及显微结构的关系。结果表明：纳米Fe₃Al的加入可使Al₂O₃晶粒的生长受到抑制，使复合材料的烧结温度提高。 Fe₃Al/Al₂O₃纳米复合材料有良好的力学性能，其抗弯强度最高可达832MPa，断裂韧性最高可达7.96MPa·m^1/2。

Abstract: Fe₃Al nanoparticle toughening Al₂O₃ matrix composites are fabricated by hot pressing. The effect of hot-pressed temperature and nano-Fe₃Al contents on the densifications, mechanical properties and microstructure were researched. The results show that addition of nano-Fe₃Al inhibites the growth of Al₂O₃, therefore the sintered temperature is increased. Fe₃Al/Al₂O₃ nanocomposites exhibit attractive mechanical properties. The best values of bending strength and fracture toughness of the composite are 832MPa and 7.96MPa·m^1/2, respectively.

中国有色金属学报 2003,(01),188-192 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.01.035

Fe₃Al纳米粒子增强Al₂O₃陶瓷的制备及性能

龚红宇尹衍升郝春成刘英才王昕

山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室材料学院工程陶瓷实验室,材料科学系,山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室材料学院工程陶瓷实验室,材料科学系,山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室材料学院工程陶瓷实验室,材料科学系,山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室材料学院工程陶瓷实验室,材料科学系,山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室材料学院工程陶瓷实验室,材料科学系济南250061 ,济南250061 ,济南250061 ,济南250061 ,济南250061

摘要：

用热压烧结法制备了纳米Fe3 Al粒子增强Al2 O3 基复合材料。研究了 14 5 0～ 16 0 0℃不同烧结温度下纳米Fe3 Al的加入量与材料的致密度、力学性能及显微结构的关系。结果表明 :纳米Fe3 Al的加入可使Al2 O3 晶粒的生长受到抑制 ,使复合材料的烧结温度提高。Fe3 Al/Al2 O3 纳米复合材料有良好的力学性能 ,其抗弯强度最高可达832MPa ,断裂韧性最高可达 7.96MPa·m1/ 2 。

关键词：

Fe3Al;Al2O3;纳米复合材料;热压烧结;

中图分类号： TQ174

作者简介：龚红宇(1970),女,讲师,博士;

收稿日期：2002-03-26

基金：山东省自然科学基金资助项目 (Z99F0 2 ;Y2 0 0 1F0 1);

Fabrication and properties of Fe₃Al nano-particle toughening Al₂O₃ matrix composites

Abstract：

Fe 3Al nanoparticle toughening Al 2O 3 matrix comp os ites are fabricated by hot pressing. The effect of hot-pressed temperature and nano-Fe 3Al contents on the densifications, mechanical properties and microst ructure were researched. The results show that addition of nano-Fe 3Al inhibit es the growth of Al 2O 3, therefore the sintered temperature is increased. Fe 3Al/Al 2O 3 nanocomposites exhibit attractive mechanical properties. The bes t values of bending strength and fracture toughness of the composite are 832 MP a and 7.96 MPa·m 1/2 , respectively.

Keyword：

Fe 3Al; Al 2O 3; nanocomposite; hot pressing;

Received： 2002-03-26

Al₂O₃陶瓷具有硬度高、化学稳定性好、耐磨损、抗高温氧化等良好性能, 但陶瓷材料的本质脆性却大大限制了其应用范围。在Al₂O₃陶瓷中加入塑性好的第二相金属弥散颗粒, 如Ni, Al, Mo, Cu等 ^[1,2,3,4,5] , 可有效提高材料的力学性能。如在Al₂O₃中加入20%的Ni, 可使其韧性提高80%~333%, 其增韧机制为金属粒子的桥联、裂纹偏转、以及Ni在Al₂O₃晶界中形成的网络结构 ^[1] 。但由于金属材料的熔点较低, 金属与非金属的润湿性较差, 使材料在高温下的耐蚀性及力学性能大大降低。而性能介于金属与陶瓷之间的金属间化合物, 以其高熔点、抗氧化性好等特点, 成为Al₂O₃陶瓷较理想的增韧相。 Tuan将0~100%NiAl与Al₂O₃复合, 发现Al₂O₃的断裂韧性与抗弯强度随NiAl 的加入量连续上升 ^[6] 。尹衍升等用40%Fe₃Al增韧Al₂O₃, 使材料的抗弯强度增加38.8%, 断裂韧性增加44.2%, 并将这一成果成功地用于刀具材料 ^[7,8] 。

上述增韧相都是微米级的, 当其小到纳米尺度时, 材料的力学性能可能有质的变化。 1991年Niihara的工作即为其中一例, 他将5%SiC(~300 nm)与Al₂O₃合成的纳米复合材料的室温强度由纯基体的350 MPa提高到1 000 MPa, 同时, 断裂韧性也提高了40%。Niihara认为纳米SiC的加入引起的微观结构的改变是材料强韧化的重要原因之一 ^[9] 。本实验利用纳米Fe₃Al增韧Al₂O₃陶瓷, 并对复合材料的制备, 性能及微观结构作了进一步研究。

1 实验材料及方法

基体粉料为α-Al₂O₃, 由张家口亚士达特陶瓷有限公司生产, 纯度≥99 %, 平均粒径3 μm。纳米增韧相Fe₃Al由青岛化工学院纳米材料研究所提供, 采用H₂电弧等离子体法制得, 平均粒径50 nm, 其形貌如图1所示。用KQ218型超声波清洗器对纳米Fe₃Al进行分散后, 与不同比例的Al₂O₃粉料在乙醇介质中球磨混合1 h, 经真空干燥, 过筛后, 放入石墨模具中。热压烧结在日产Multi-5000型多功能烧结炉中进行, 烧结温度1 450~1 600 ℃, 轴向压力30 MPa, 保温保压时间30 min, 烧结气氛为N₂气。为了进行对比实验, 在1 530 ℃下热压烧结Al₂O₃粉30 min, 制备单项Al₂O₃陶瓷。烧结试样的尺寸为d42 mm×5 mm。

图1 纳米Fe3Al的显微组织 Fig.1 TEM micrograph of Fe3Al nanoparticle

用Archimedes法测试烧结试样的密度, 并计算转换成相对密度。试样的硬度(HRA)用HD-187.5型布洛维硬度计测得。将烧结试样用内圆切割机切成3 mm×4 mm×36 mm的规则试条, 用三点弯曲法测试样的抗弯强度。断裂韧性用单边切口梁法(SENB)测定, 试样尺寸2 mm×4 mm×36 mm, 切口深度2 mm, 切口宽度0.25 mm。跨距都为20 mm, 加载速率为0.5 mm/min。用带能谱(LinkISIS-300)的Hitachi S-2500型扫描电子显微镜观察材料断口的显微结构及相组成。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的致密化过程

单相Al₂O₃在1 530 ℃烧结时, 相对密度为98.3%, 可认为瓷体已致密。图2所示为含5%, 10%, 20%, 30%(质量分数, 下同)纳米Fe₃Al的Al₂O₃混合粉料(分别记为FA5、 FA10、 FA20和FA30)在不同温度下热压烧结后, 材料的相对密度与烧结温度的关系。随烧结温度的升高, 不同配比瓷体相对密度都逐渐提高。含5%纳米Fe₃Al的粉料在1 530 ℃时可致密烧结(相对密度>98%), 而若达到同样致密度, 10%纳米Fe₃Al的FA10样品需在1 560 ℃烧结, FA20则需在1 600 ℃下才能烧结致密。可见, 纳米Fe₃Al的加入使材料的烧结温度升高。由于Al₂O₃与Fe₃Al无相界面反应 ^[10] , 在材料的烧结过程中, Al₂O₃晶界的迁移受到所加纳米相的阻碍。同时由于Fe₃Al粉是在H₂气氛下制备的, 纳米粉的表面能较大, 在制备过程中, 其表面会吸附部分气体。随纳米Fe₃Al加入量的增加, 表面气体的吸附量也应增大。在材料升温时, 这些气体聚集在晶界处, 对材料的烧结也有抑制作用。

2.2 材料的力学性能

纳米Fe₃Al含量不同的复合材料在不同温度下烧结, 所测硬度值(HRA)如图3所示。参照图2可见, 材料的硬度随烧结温度及成分的变化与其相对密度的变化规律基本一致。由于纳米Fe₃Al的加入量较少, 复合材料的硬度值主要取决于主晶相的致

图2 不同配比复合材料的相对密度与烧结温度的关系 Fig.2 Relative densities of nano-Fe3Al-Al2O3 powders of different mixture ratios at different sintering temperatures

图3 不同配比纳米复合材料的洛氏硬度 (HRA)与烧结温度的关系 Fig.3 Variation of hardness HRA of Fe3Al/Al2O3 nanocomposites with sintering temperature and mixture ratio

密化程度。在致密烧结的情况下, 不同配比的纳米复合材料都可达到大于HRA92的较高的硬度值。

图4所示为不同温度热压烧结, 配比不同的纳米复合材料的抗弯强度和断裂韧性与烧结温度的关系。

单相Al₂O₃在1 530 ℃烧结时的抗弯强度与断裂韧性分别为359 MPa和4.6 MPa·m^1/2。 FA5在

图4 不同配比纳米复合材料的抗弯强度(a)、断裂韧性(b)与烧结温度的关系 Fig.4 Variation of bending strength (a) and fracture toughness(b) of Fe3Al-Al2O3 nanocomposite with sintering temperature and mixture ratio

1 530 ℃的断裂韧性为7.37 MPa·m^1/2, FA10与FA20在1 560 ℃的断裂韧性分别为7.72 MPa·m^1/2 、 7.61 MPa·m^1/2, 当烧结温度升至1 600 ℃, FA10的断裂韧性可持续上升至7.96 MPa·m^1/2, 而FA20的值则明显降低。在致密烧结条件下, FA5、 FA10、 FA20的抗弯强度分别为832 MPa 、 722 MPa和 701 MPa, 均高于单相Al₂O₃陶瓷的值。说明纳米Fe₃Al的加入有利于复合材料力学性能的提高。

2.3 材料的断口形貌及增韧机理

图5所示为材料的抗弯SEM断口形貌, 经能谱确定, 其中较亮的颗粒为Fe₃Al, 基体为Al₂O₃, 可见Fe₃Al在基体中的分布较均匀。其中图5(a)所示为FA5在1 530 ℃的断口, 图5(b)、 5(c)所示分别为FA10、 FA20在1 520 ℃的断口。加入5%纳米Fe₃Al的样品, 发现有大量的片晶出现, 晶粒较大, 结构致密。随纳米Fe₃Al的加入量增加, 基体的粒径显著降低, 片晶的尺寸和含量也逐渐减小, 当纳米Fe₃Al的加入量为20%时, 在图5(c)中已很难发现片晶。同时随纳米Fe₃Al的加入量增加, 材料的气孔率增加, 致密度变差。关于Al₂O₃的片晶结构已有很多的研究 ^[11,12] , 一般认为是由于原料中微量的杂质如SiO₂和CaO等在烧结过程中形成的少量液相的不均匀分布引起的, 片晶的过分生长可使材料的强度下降。而纳米Fe₃Al的加入抑制了Al₂O₃片晶的生长, 适当的片晶尺寸及分布, 在材料断裂时, 其拔出和桥联作用有助于材料力学性能的提高。在图5(a)中可见, 由于片晶拔出而留下的狭长的凹坑, 其断裂为沿晶断裂和穿晶断裂混合的断裂模式。继续增加纳米Fe₃Al的加入量, 其对主晶相的阻碍作用增强, 片晶减少, 晶粒细化。在相近的烧结温度下, 不易致密, 材料的力学性能较差。材料的断裂方式也渐变为图5(c)的沿晶断裂模式。

FA10、 FA20在1 600 ℃烧结的断口形貌如图5(d)、 5(e)。在致密烧结后, 片晶的分布仍保留了其在低温烧结时的结构特征, 断裂方式均以穿晶断裂为主。图5(f)为FA10在该温度烧结的更大倍数的SEM微观组织, 发现有较多纳米Fe₃Al分布在Al₂O₃晶粒内部。 Niihara认为纳米复合材料的强韧化主要是由于这种“晶内型”结构造成的。晶内纳米相使基体晶粒内产生许多亚界面, 由于基体与增韧相的热膨胀系数差异, 在复合材料冷却过程中, 在亚界面产生残余热应力, 影响裂纹的扩展方向 ^[9] 。因此FA10在1 600 ℃烧结时, 虽然片晶很少, 但仍然有较好的力学性能。但随着Fe₃Al的加入量较多, 纳米相易于在晶间聚集长大, 失去了纳米强化作用, 使材料的断裂韧性降低。

3 结论

1) 用热压烧结法制备了系列纳米Fe₃Al增强Al₂O₃复合材料。其抗弯强度最高可达832 MPa, 断裂韧性最高可达7.96 MPa·m^1/2。

2) Fe₃Al/Al₂O₃纳米复合材料的力学性能与烧结工艺及纳米Fe₃Al的加入量紧密相关。

3) Al₂O₃基体在烧结时易发生取向生长, 纳米Fe₃Al的加入, 可抑制Al₂O₃的生长, 控制基体片

图5 材料的扫描断口形貌 Fig.5 SEM micrographs of fracture surface of Fe3Al/Al2O3 at different sintering conditions and mixture ratio (a)—1 530 ℃, FA5; (b)—1 520 ℃, FA10; (c)—1 520 ℃, FA20; (d)—1 600 ℃, FA10; (e)—1 600 ℃, FA20; (f)—1 600 ℃, FA10

晶的晶粒尺寸。

4) 基体片晶的拔出效应有利于材料断裂韧性的提高, 纳米相Fe₃Al对基体的结构细化作用及纳米“内晶型”结构的形成使复合材料进一步强韧化。

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