Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料的微觀組織分析 轉(zhuǎn)載于漢斯學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們

Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料的微觀組織分析 內(nèi)容總結(jié)：

三元層狀陶瓷指具有相似結(jié)構(gòu)的三元碳化物和氮化物，這類材料統(tǒng)稱為“Mn+1AXn相”(簡(jiǎn)稱MAX相)，其中M為過(guò)渡族金屬元素，A為主族元素，X為C或者N。是近年來(lái)開發(fā)出來(lái)的一類新型陶瓷材料，其中，代表性的有Ti2AlN，Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti3SiC2 [1] [2] 。三元層狀陶瓷的獨(dú)特之處在于其同時(shí)具有陶瓷和金屬的優(yōu)點(diǎn)，如良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，可機(jī)加工，具有自潤(rùn)滑功能，抗熱沖擊性能優(yōu)良，高模量，高比強(qiáng)度等。由于其低密度和較高的強(qiáng)度，被認(rèn)為是未來(lái)一種很有潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料，可用于航空、航天、燃汽輪機(jī)等嚴(yán)酷環(huán)境；最新研究結(jié)果，這類材料可望應(yīng)用于第四代核反應(yīng)堆中，作為氣冷快堆中核燃料的包殼材料使用，是一類軍民兩用材料 [3] [4] 。美國(guó)Drexel大學(xué)Barsoum研究組 [5] 采用Ti和AlN微米粉按計(jì)量比混合均勻后，在1400?C/40 MPa/48 h的熱等靜壓工藝下，制備出含有20% (體積比)左右的“413”相的Ti2AlN。Z. J. Lin等 [6] 采用商業(yè)Ti，Al，TiN粉按摩爾比1:1:1的比例混合，在氬氣氛下采用1400?C/25 MPa/1 h工藝熱壓成型制備出單相的Ti2AlN。Y. Ming等 [7] 采用商業(yè)Ti，Al，TiN粉按摩爾比1:1:1的比例混合，在0.4 Pa的弱真空下，采用1200?C/30 MPa/10 min工藝放電等離子燒結(jié)工藝制備出單相的Ti2AlN。Yi Liu等 [8] 采用商業(yè)Ti，Al，TiN粉按摩爾比1:1:1的比例混合后，先采用熱爆炸，然后無(wú)邊放電等離子燒結(jié)工藝制備出高織構(gòu)的單相Ti2AlN。因此，為了更好地提高這類結(jié)構(gòu)材料在高溫和氧化性氣氛的應(yīng)用，開發(fā)出一系列以MAX相為基的復(fù)合材料，增強(qiáng)相主要為氧化物相和碳化物相 [9] [10] 。材料的微觀結(jié)構(gòu)決定材料的性能，因此對(duì)于這種新型的Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料的微觀組織進(jìn)行詳細(xì)的研究是很有必要的。

內(nèi)容：

1. 引言

三元層狀陶瓷指具有相似結(jié)構(gòu)的三元碳化物和氮化物，這類材料統(tǒng)稱為“Mn+1AXn相”(簡(jiǎn)稱MAX相)，其中M為過(guò)渡族金屬元素，A為主族元素，X為C或者N

是近年來(lái)開發(fā)出來(lái)的一類新型陶瓷材料，其中，代表性的有Ti2AlN，Ti3AlC2，Ti2AlC和Ti3SiC2 [1] [2]

三元層狀陶瓷的獨(dú)特之處在于其同時(shí)具有陶瓷和金屬的優(yōu)點(diǎn)，如良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，可機(jī)加工，具有自潤(rùn)滑功能，抗熱沖擊性能優(yōu)良，高模量，高比強(qiáng)度等

由于其低密度和較高的強(qiáng)度，被認(rèn)為是未來(lái)一種很有潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料，可用于航空、航天、燃汽輪機(jī)等嚴(yán)酷環(huán)境；最新研究結(jié)果，這類材料可望應(yīng)用于第四代核反應(yīng)堆中，作為氣冷快堆中核燃料的包殼材料使用，是一類軍民兩用材料 [3] [4]

美國(guó)Drexel大學(xué)Barsoum研究組 [5] 采用Ti和AlN微米粉按計(jì)量比混合均勻后，在1400?C/40 MPa/48 h的熱等靜壓工藝下，制備出含有20% (體積比)左右的“413”相的Ti2AlN

Z. J. Lin等 [6] 采用商業(yè)Ti，Al，TiN粉按摩爾比1:1:1的比例混合，在氬氣氛下采用1400?C/25 MPa/1 h工藝熱壓成型制備出單相的Ti2AlN

Y. Ming等 [7] 采用商業(yè)Ti，Al，TiN粉按摩爾比1:1:1的比例混合，在0.4 Pa的弱真空下，采用1200?C/30 MPa/10 min工藝放電等離子燒結(jié)工藝制備出單相的Ti2AlN

Yi Liu等 [8] 采用商業(yè)Ti，Al，TiN粉按摩爾比1:1:1的比例混合后，先采用熱爆炸，然后無(wú)邊放電等離子燒結(jié)工藝制備出高織構(gòu)的單相Ti2AlN

這類材料的高溫穩(wěn)定性好，高溫?cái)嗔秧g性優(yōu)于常規(guī)陶瓷，具有中等抗氧化能力 [1] [2]

因此，為了更好地提高這類結(jié)構(gòu)材料在高溫和氧化性氣氛的應(yīng)用，開發(fā)出一系列以MAX相為基的復(fù)合材料，增強(qiáng)相主要為氧化物相和碳化物相 [9] [10]

對(duì)于以Ti2AlN為基體的復(fù)合材料，目前開發(fā)出來(lái)有綜合性能優(yōu)異的Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料 [11]

材料的微觀結(jié)構(gòu)決定材料的性能，因此對(duì)于這種新型的Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料的微觀組織進(jìn)行詳細(xì)的研究是很有必要的

2. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料采用兩步法制備，首先以Ti48Al (at.%)塊體為原料，采用氫等離子金屬反應(yīng)法(Hydrogen plasma-metal reaction，縮寫為HPMR) [12] 制備出TiAl3和TiN兩相質(zhì)量比為2:1的復(fù)合納米粉，然后采用真空熱壓技術(shù)制備出復(fù)合材料塊體

真空熱壓工藝為1000?C/50 MPa/5 h，真空為3 × 10?3 Pa

真空熱壓實(shí)驗(yàn)中采用的設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、自伺服液壓系統(tǒng)以及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)四部分構(gòu)成

恒溫時(shí)溫度控制精度為±5?C，恒壓時(shí)壓力控制精度為±0.5 MPa

制備的樣品經(jīng)過(guò)不同粗細(xì)的SiC砂紙預(yù)磨后，用金剛石研磨膏進(jìn)行拋光，直接用于金相和掃描觀察，另一種為在HF:HNO3:H2O為5:15:80 (體積比)的腐蝕劑中腐刻后進(jìn)行金相和掃描觀察

透射電鏡樣品由機(jī)械減薄后，采用真空氬離子減薄設(shè)備進(jìn)行最終減薄制得

金相組織觀察采用Zeiss Axiovert 200MAT型光學(xué)顯微鏡

掃描電鏡(SEM)觀察采用S-360 (Cambridge Instruments, UK)型掃描電鏡

采用JEOL-2000FX (JEOL, Tokyo, Japan) 透射電鏡(TEM)觀察復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特征，工作電壓為200 kV

用Rigaku D/max-2500pc X射線衍射儀分析復(fù)合材料的相組成

采用阿基米德法測(cè)量塊體的密度，天平感量為1 × 10?4 g

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論3.1. 復(fù)合材料的相組成在熱壓過(guò)程中，通過(guò)如下的固相反應(yīng)得到Al2O3和Ti2AlN：2TiAl3+2TiN+3O2?2Al2O 3+2Ti2AlN(3-1)

圖1是熱壓態(tài)樣品的X射線衍射

圖譜

從

圖中可以看出，制備出的復(fù)合材料主要由Al2O3和Ti2AlN兩相組成，僅有極少量的TiN和TiAl3相

由于制備溫度比較低(1000?C)，從Ti-Al-N 1000?C等溫相

圖 [13] 可知，在此溫度與Ti2AlN相互平衡的相是TiN和TiAl，沒(méi)有Ti4AlN3相，也沒(méi)有所謂的“413”

Ti4AlN3相合成溫度區(qū)間很窄，只有在1300?C附近才能生成



Figure 1. X-ray diffraction pattern of the as-HPed Al2O3/Ti2AlN composite

圖1. 真空熱壓法制備的Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料X射線衍射

圖譜3.2. 復(fù)合材料的微觀組織分析采用真空熱壓爐制備出的樣品尺寸為f50 mm × 5 mm，樣品具有明顯的金屬光澤，2

采用阿基米德法測(cè)量的熱壓態(tài)樣品密度為4.05 g/cm3，為99%的相對(duì)密度

圖3是熱壓態(tài)樣品的微觀組織形貌，

圖3(a)為金相形貌，

圖3(b)為拋光后腐蝕的SEM形貌

對(duì)復(fù)合材料的顯微組織觀察可以看到，細(xì)小的Al2O3顆粒(黑色)非常均勻地分布在連續(xù)的Ti2AlN基體中

掃描電鏡背散射像可以很清楚地反映出兩相之間的成分差別

由于Al2O3像是由輕元素Al和O組成，相比于Ti含量高的Ti2AlN相，在背散



Figure 2. A photograph of the Al2O3/Ti2AlN composite produced by vacuum hot pressing

圖2. 真空熱壓法制備的Al2O3/Ti2AlN 復(fù)合材料照片



Figure 3. Opticalimage (a) and SEM image (b) of the polished Al2O3/Ti2AlN composite, (c) A high-magnification SEM image after etching

圖3. 拋光的熱壓態(tài)Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料微觀形貌

(a) 金相形貌；(b) 掃描形貌；(c) 腐蝕后高倍掃描形貌射條件下，呈現(xiàn)黑色，而Ti2AlN相呈現(xiàn)白亮色

黑點(diǎn)是Al2O3顆粒，彌散分布，白亮色的相是Ti2AlN基體

采用

圖像分析可得到，Al2O3相的體積分?jǐn)?shù)為40% ± 5%，與理論值符合很好，其顆粒尺寸分布在0.5~2 mm之間，平均1 mm左右

為了觀察Ti2AlN基體的顯微結(jié)構(gòu)特征，將熱壓態(tài)樣品用HF:HNO3:H2O = 5:15:80的腐蝕液腐蝕15秒后觀察其形貌

在較低放大倍數(shù)下Ti2AlN基體的晶粒很難辨認(rèn)，

圖3(b)是腐蝕后樣品的高倍的二次電子形貌像，可以比較清楚地觀察到Ti2AlN基體為細(xì)小的盤狀晶粒，顯著不同于等軸狀的Al2O3顆粒

圖3(c)是熱壓態(tài)樣品的透射電鏡明場(chǎng)像

Al2O3顆粒與顆粒之間由Ti2AlN相隔開，Al2O3顆粒內(nèi)未見(jiàn)Al2O3晶界，為單晶Al2O3

Ti2AlN相是盤狀晶粒，厚度大約為100 nm，長(zhǎng)度在0.5~2 mm之間

能譜曲線定量計(jì)算的結(jié)果為A處含有44.45% (at.%，以下同)的Al和55.55%的O，B處含有29.33%的Al、14.28%的N和56.39%的Ti，可知，兩相之間具有明顯的成分差異

結(jié)合能譜分析和電子衍射，可知，原位析出的Al2O3是熱力學(xué)穩(wěn)定的a-Al2O3，符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系而基體是Ti2AlN相

需要說(shuō)明的是，根據(jù)B處能譜定量成分分析結(jié)果，N含量原子百分?jǐn)?shù)為14.28%，低于25%，兩者相差比較大，而Ti2AlN相可認(rèn)為是一線性化合物，這主要是由于Ti的二次峰與N峰相重疊，在能譜下很難精確定量區(qū)分兩者

3.3. 復(fù)合材料的相界面分析復(fù)合材料的性能取決于兩相的性能、體積分?jǐn)?shù)、強(qiáng)化相的分布以及兩相之間的界面

界面對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，是非常重要的

界面是基體和增強(qiáng)體材料的結(jié)合處；界面是基體和增強(qiáng)體材料之間傳遞載荷的媒介，硬化和強(qiáng)化依賴于跨越界面的載荷傳遞

隨著第二相的體積分?jǐn)?shù)的增加，界面在復(fù)合材料中的比例也相應(yīng)增加

制備出的復(fù)合材料里存在兩種典型的界面形貌：第一種為Al2O3顆粒與Ti2AlN晶粒以大角度相交，兩者之間沒(méi)有一定的取向關(guān)系，屬于非共格界面；第二種為Al2O3顆粒與Ti2AlN晶粒之間的另一種界面形貌

經(jīng)電子衍射

圖分析知道，兩者界面處Al2O3為[110]晶帶軸的衍射花樣，Ti2AlN是[110]晶帶軸的衍射花樣，因此界面處這兩個(gè)相的晶帶軸平行

在電鏡中可以大量觀察到第一種的界面特征，而第二種類型的界面則很少觀察到

這兩種界面具有共同的特點(diǎn)，兩相之間都沒(méi)有晶界相存在，界面很干凈，另外，也沒(méi)有觀察到位錯(cuò)和殘余應(yīng)力導(dǎo)致的襯度變化

還可以看到電鏡樣品減薄過(guò)程中產(chǎn)生的微小孔洞并沒(méi)有出現(xiàn)在兩相界面處，這從另一面反映出兩相之間的界面結(jié)合很強(qiáng)

兩相界面處沒(méi)有形成晶界相，是由于在制備過(guò)程中沒(méi)有加入助燒結(jié)劑，因而沒(méi)有在晶界形成低熔點(diǎn)的玻璃相；而沒(méi)有觀察到應(yīng)力和位錯(cuò)襯度，得益于Al2O3和Ti2AlN之間良好的熱膨脹匹配(兩相的熱膨脹系數(shù)幾乎相等，Ti2AlN的熱膨脹系數(shù)為8.2 × 10?6 /K [5] ，Al2O3的為8.3 × 10?6 /K [14] )

這種界面能有效地阻止Ti2AlN晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化Ti2AlN晶粒

本工作中制備出的Ti2AlN晶粒厚度約為100 nm，長(zhǎng)度1~2 mm，而Barsoum等 [5] 制備出的Ti2AlN晶粒長(zhǎng)度大約100 mm，這種細(xì)化作用是由于采用納米粉和較低的制備溫度(1000?C)以及Al2O3有效地阻止了Ti2AlN晶粒長(zhǎng)大的共同作用而得到的

4. 結(jié)論

本文主要研究了原位析出固相反應(yīng)法制備的Al2O3顆粒增強(qiáng)Ti2AlN基陶瓷復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，該新型復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)方面具有以下特點(diǎn)：1) 復(fù)合材料具有金屬特征，相對(duì)致密度為99%，主要由熱力學(xué)穩(wěn)定的a-Al2O3相和Ti2AlN相組成，其中a-Al2O3顆粒彌散分布在連續(xù)的Ti2AlN基體里

2) a-Al2O3相的體積分?jǐn)?shù)為40% ± 5%，a-Al2O3顆粒呈等軸狀，顆粒尺寸分布在500 nm~2 mm之間，平均為1 mm左右

Ti2AlN相晶粒為盤狀，厚度大約是100 nm，長(zhǎng)度在0.5~2 mm之間，平均幾何尺寸0.3 mm左右

3) Al2O3顆粒與Ti2AlN晶粒以大角度相交，兩者之間沒(méi)有一定的取向關(guān)系，屬于非共格界面

兩相之間界面結(jié)合很強(qiáng)，沒(méi)有晶界相存在，也沒(méi)有觀察到位錯(cuò)和殘余應(yīng)力襯度

基金項(xiàng)目湖北省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(B2017070)的資助

NOTES*通訊作者

參考文獻(xiàn)

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摘要: 采用真空熱壓法原位形成強(qiáng)化相Al2O3，制備出Al2O3顆粒增強(qiáng)Ti2AlN基復(fù)合材料。本文采用金相顯微鏡，掃描電鏡，透射電鏡分析了熱壓態(tài)復(fù)合材料的微觀組織，采用x-射線衍射分析(XRD)分析了熱壓態(tài)復(fù)合材料的相組成。制備的Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料由熱力學(xué)穩(wěn)定的α-Al2O3相和Ti2AlN相組成，其中Al2O3顆粒彌散分布在連續(xù)的Ti2AlN基體里。Al2O3相的體積分?jǐn)?shù)為40% ± 5%，呈等軸狀，顆粒尺寸分布在500 nm~2 μm之間，平均為1 μm左右。Ti2AlN相晶粒為盤狀，厚度大約是100 nm，長(zhǎng)度在0.5~2 μm之間，平均幾何尺寸0.3 μm左右。

標(biāo)簽：Al2O3/Ti2AlN復(fù)合材料,MAX相,Ti2AlN,微觀組織,相組成,Al2O3/Ti2AlN

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