徐維民, 李世波, 胡樹郡, 姜吉鵬, 于文波, 周洋

ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究

徐維民, 李世波, 胡樹郡, 姜吉鵬, 于文波, 周洋

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院, 材料科學(xué)與工程中心, 北京 100044)

Cr2AlC是MAX相家族中具有代表性的三元層狀碳化物, 它兼具金屬和陶瓷的特性, 有導(dǎo)電、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)異性能。為進(jìn)一步提高Cr2AlC的綜合性能, 本研究以ZrC為增強(qiáng)相, 利用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料, 探討了增強(qiáng)相含量(10vol%~20vol%)對(duì)材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明: 10vol% ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和硬度分別為715 MPa和7 GPa。相比Cr2AlC材料的強(qiáng)度(398 MPa)和硬度(3.4 GPa), 復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度提高幅度分別為80%和106%。采用掃描電子顯微鏡對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析, 闡明了復(fù)合材料具有較高性能的原因。本研究為拓寬Cr2AlC材料的應(yīng)用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

ZrC/Cr2AlC; 復(fù)合材料; 力學(xué)性能; 微觀結(jié)構(gòu)

納米層狀三元化合物MAX材料(M為過渡金屬, A主要為IIIA和IVA族元素, X為碳或氮)屬于六方晶結(jié)構(gòu), 具有金屬和陶瓷的特性, 如高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、易加工、耐腐蝕、抗氧化等[1-3]。MAX材料已被成功應(yīng)用于高溫電極、發(fā)熱件、受電弓滑板等關(guān)鍵部件。此外, 這類材料在冶金、航天、核電、化工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

Cr2AlC是MAX材料家族中最具吸引力的代表性材料之一。它不僅具有上述的優(yōu)異性能, 而且還展示出優(yōu)異的抗熱震性能、較好的損傷容限以及自愈合等性能[4-8]。如Cr2AlC粗晶材料表面的硬度壓痕對(duì)角線無放射性裂紋出現(xiàn)。這主要是由于顆粒層裂、變形、彎折等多重耗能機(jī)制賦予材料具有損傷容限性能[4,6]。Cr2AlC材料表現(xiàn)出異常熱震行為, 即隨著熱震溫度提高, 材料強(qiáng)度下降; 但是當(dāng)溫度達(dá)到1200 ℃后, 強(qiáng)度不再下降反而升高。其優(yōu)異的熱震性能歸因于材料的自愈合能力[6-7]。Cr2AlC材料可愈合長(zhǎng)達(dá)毫米級(jí)的裂紋, 其愈合機(jī)制是高溫形成與基體結(jié)合良好的Al2O3填充裂紋[8]。其優(yōu)異的室溫和高溫性能, 使Cr2AlC成為高溫關(guān)鍵部件的優(yōu)選材料。

針對(duì)其高溫應(yīng)用背景, 需要進(jìn)一步提高Cr2AlC材料的綜合性能。采用第二相顆粒(如SiC、TiC、ZrC、ZrB2等)來增強(qiáng)陶瓷基和金屬基復(fù)合材料是一種有效的方法。鑒于ZrC所具有的高硬度、高熔點(diǎn)、低氧擴(kuò)散系數(shù)以及常作為高溫材料應(yīng)用的特點(diǎn)[9-10], 本研究采用ZrC作為增強(qiáng)相, 制備ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料, 探討第二相顆粒含量對(duì)材料性能的影響, 以期獲得性能優(yōu)異的新型MAX相復(fù)合材料。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 復(fù)合材料制備

ZrC粉(粒度~4 μm, 純度>98%, 北京有色金屬研究院)按照體積比10vol%, 15vol%和20vol%與Cr2AlC(粒度75 μm(200目), 純度>98%, 實(shí)驗(yàn)室自制)在混料機(jī)中混料10 h后, 將粉料裝入涂有BN的石墨模具中, 然后置于熱壓爐中, 在1300 ℃、20 MPa壓力、Ar保護(hù)條件下、保溫1 h制備復(fù)合材料。

1.2 性能測(cè)試

將制備的樣品線切割成3 mm×4 mm×36 mm的樣條。樣條表面經(jīng)砂紙研磨和金剛石研磨膏拋光后, 分別進(jìn)行硬度和彎曲強(qiáng)度測(cè)試。維氏硬度在硬度計(jì)上測(cè)定, 載荷為10 kg, 加載時(shí)間15 s。材料強(qiáng)度在萬能試驗(yàn)機(jī)上用三點(diǎn)彎曲法測(cè)定。十字頭移動(dòng)速度為0. 5 mm/min, 跨距30 mm。每組測(cè)試至少采用三個(gè)試樣, 以取平均值。

1.3 材料表征

采用ZEISS EVO 18掃描電子顯微鏡對(duì)試樣拋光表面和斷口進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。利用能譜儀對(duì)材料中的化學(xué)組成和元素分布進(jìn)行分析, 進(jìn)一步確定相組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

前期工作證實(shí), 制備ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料時(shí), 若熱壓溫度較低, 則材料致密度低; 但溫度較高(如1400 ℃), ZrC與Cr2AlC反應(yīng)會(huì)形成較多雜質(zhì)相。經(jīng)系統(tǒng)探討, 在1300 ℃-20 MPa-1 h 的條件下能成功制備純度較高的15vol% ZrC/Cr2AlC致密復(fù)合材 料[11]。本研究所制備的復(fù)合材料皆采用如上條件。

圖1是材料拋光表面的背散射SEM照片。由圖可見, ZrC顆粒(白色)主要分布于Cr2AlC(灰色)顆粒邊界處, 形成一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對(duì)比圖1(a, c)可見, 隨著ZrC含量增加, 形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加明顯。分布于Cr2AlC顆粒邊界處的ZrC顆粒對(duì)裂紋擴(kuò)展可起到釘扎和偏轉(zhuǎn)作用, 有利于提高材料的力學(xué)性能。由圖1(b)SEM照片可見, 材料內(nèi)存在細(xì)小黑色顆粒, 且大多分布于Cr2AlC晶粒內(nèi)部。EDS結(jié)果證實(shí), 黑色顆粒是Al2O3, 其晶粒尺寸小于1 μm。Al2O3的來源主要是合成Cr2AlC時(shí), 原料粉表面吸附的O與Al在高溫反應(yīng)形成的。在合成含Al的MAX相(Ti3AlC2, Ti2AlC, Cr2AlC, Ti2AlN)時(shí), Al2O3總是作為新生相而存在[4-5, 12-14]。在本研究中, 合成的復(fù)合材料內(nèi)存在少量的Al2O3并不會(huì)降低材料性能, 可能有利于力學(xué)性能的提高。如當(dāng)裂紋在Cr2AlC晶粒內(nèi)擴(kuò)展時(shí), Al2O3顆?？善鸬健搬斣绷鸭y或使裂紋偏轉(zhuǎn)的效果, 消耗裂紋擴(kuò)展能。

圖1 復(fù)合材料拋光表面背散射SEM照片

(a-b) 10vol% ZrC/Cr2AlC; (c) 15vol% ZrC/Cr2AlC; (b) Enlarged micrograph taken from (a)

2.2 力學(xué)性能

ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度與ZrC含量的關(guān)系見圖2。Cr2AlC單一相材料的彎曲強(qiáng)度和維氏硬度分別為398 MPa和3.4 GPa。而本研究制備的復(fù)合材料, 其硬度值隨ZrC含量增加而逐漸提高。這主要來自于ZrC顆粒本身擁有較高的維氏硬度(~17 GPa[15])。但復(fù)合材料的強(qiáng)度隨增強(qiáng)相含量先提高后降低。主要原因是ZrC含量增加, 在基體內(nèi)不易分散均勻, 致使材料致密度降低, 從而影響復(fù)合材料的強(qiáng)度。當(dāng)ZrC含量為10vol%時(shí), 復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度分別達(dá)到715 MPa和7 GPa。相比單一材料, 復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度提高幅度分別為80%和106%。目前合成的Cr2AlC基復(fù)合材料主要為SiCf/Cr2AlC、Cr7C3/Cr2AlC和Al2O3/Cr2AlC[16-18]。其中11vol%Al2O3/Cr2AlC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度為 516 MPa[16], 17.3wt% Cr7C3/Cr2AlC 復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度為502 MPa。上述對(duì)比結(jié)果表明, ZrC第二相的增強(qiáng)效果明顯, 有效提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖3是10vol% ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料的斷口SEM照片。由斷口可見, 大顆粒Cr2AlC發(fā)生穿晶斷裂, 呈現(xiàn)出臺(tái)階狀(圖3(a))。說明裂紋在納米層狀結(jié)構(gòu)的Cr2AlC顆粒內(nèi)不斷被偏轉(zhuǎn), 消耗掉大量擴(kuò)展能。放大的SEM照片(圖3(b))顯示, 應(yīng)力致使Cr2AlC顆粒層裂, 層裂后的片層結(jié)構(gòu)發(fā)生微區(qū)塑性變形, 形成彎折帶。該特征可有效消耗裂紋尖端應(yīng)力, 提高材料的韌性。

圖4是10vol%ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料拋光表面壓痕SEM照片。沿著壓痕對(duì)角線方向并沒有出現(xiàn)脆性陶瓷特有的放射性擴(kuò)展裂紋。但在壓痕周圍可觀察到大量的微裂紋(圖4(a))。圖4(b)是壓痕周圍區(qū)域的放大背散射SEM照片, 可發(fā)現(xiàn)Cr2AlC大顆粒的層裂、變形、彎折等現(xiàn)象。這也是MAX相材料所特有的特征, 有利于耗散材料所受的應(yīng)變能。另外, ZrC顆粒對(duì)裂紋擴(kuò)展起到釘扎作用。上述現(xiàn)象表明, 10vol% ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料亦具有良好的損傷容限性能。

(a) Back-scattered SEM image; (b) Enlarged second electron image

圖4 10vol% ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料拋光表面壓痕SEM照片

(a) Second electron image; (b) Enlarged back-scattered SEM image

3 結(jié)論

本研究以ZrC為增強(qiáng)相, 在1300 ℃、20 MPa壓力下、保溫1 h制備了ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料。ZrC顆粒分散于Cr2AlC顆粒周圍形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所制備的ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料, 其強(qiáng)度和硬度比單一相Cr2AlC具有顯著的提高。尤其是10vol% ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和硬度高達(dá)715 MPa和7 GPa。在復(fù)合材料中, ZrC顆粒對(duì)裂紋的釘扎和偏轉(zhuǎn)以及Cr2AlC顆粒的層裂、變形等多重機(jī)制, 賦予復(fù)合材料較高的強(qiáng)度。所制備的新型ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料有望成為軸承、托輥、高溫關(guān)鍵部件的優(yōu)選材料。為促進(jìn)ZrC/Cr2AlC復(fù)合材料在高溫環(huán)境的應(yīng)用, 本工作將繼續(xù)研究材料的高溫力學(xué)性能、抗熱震以及裂紋自愈合行為。

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Fabrication and Mechanical Property of ZrC/Cr2AlC Composites

XU Wei-Min, LI Shi-Bo, HU Shu-Jun, JIANG Ji-Peng, YU Wen-Bo, ZHOU Yang

(Center of Materials Science and Engineering, School of Mechanical and Electronic Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Cr2AlC is a representative material in MAX phase family due to its combination of metallic and ceramic properties such as high electrical conductivity, high thermal conductivity, resistance to corrosion, good oxidation resistance. To further improve performance of Cr2AlC, ZrC as a reinforcement was selected to reinforce Cr2AlC matrix composites by hot pressing technique. Influence of ZrC content on the mechanical property of ZrC/Cr2AlC composites has been investigated. The results showed that 10vol% ZrC/Cr2AlC composite improved flexural strength (715 MPa) and Vickers hardness (7 GPa) by 80% and 106%, respectively, as compared with those of pure Cr2AlC material.Date from this study indicate that Cr2AlC MAX possesses broaden application potential.

ZrC/Cr2AlC; composite; mechanical property; microstructure

TQ174

A

1000-324X(2020)01-0061-04

10.15541/jim20190143

2019-04-07;

2019-04-24

國家自然科學(xué)基金(51772020); 北京市自然科學(xué)基金(2182058)

National Natural Science Foundation of China (51772020); Beijing Natural Science Foundation (2182058)

徐維民(1996–), 男, 博士研究生. E-mail: 18121371@bjtu.edu.cn

XU Wei-Min(1996–), male, PhD candidate. E-mail: 18121371@bjtu.edu.cn

李世波, 教授. E-mail: shbli1@bjtu.edu.cn

LI Shi-Bo, professor. E-mail: shbli1@bjtu.edu.cn