Cr2AlC颗粒增强Cu基复合材料的制备与性能表征

曾 舒,苏忠亮,周 健

(厦门大学材料学院,福建 厦门 361005)

金属Cu因具有良好的导电导热性、耐腐蚀性及机械加工性得到广泛应用．然而纯Cu的强度和硬度低,耐磨性差,且在高温下易发生变形,不能满足现代航空、航天、机械等领域对材料在硬度、强度及耐磨性等方面的要求[1-4]．颗粒增强Cu基复合材料通过适量引入增强相可以显著提高金属Cu的力学性能,同时又不会明显降低其导电性能,从而成为Cu基复合材料的研究热点[5-9]．碳化物陶瓷Cr2AlC是三元层状化合物MAX相(也称Mn+1AXn相,其中M代表早期过渡金属元素,A代表主族元素,X代表C或N元素)中211相的典型代表,它同时具有陶瓷的高强度、高弹性模量、耐腐蚀及高温抗氧化性等特点以及金属的高热导率、高电导率等性能,是近年来受到广泛重视的一种新型化合物材料[10-16]．Sun等[13]采用第一性原理计算方法研究了M2AlC (M=Ti,Cr,V,Nb和Ta) 的体积模量和杨氏模量．结果表明Cr2AlC具有极高的体积模量、剪切模量和杨氏模量,是有应用潜力的新材料．目前已有一些关于Cr2AlC增强金属基复合材料的研究[15-16]．Gupta等[15]研究了Ag-Cr2AlC复合材料的磨擦磨损性能,但是未报道力学性能;对Fe-Cr2AlC复合材料的研究发现[16],由于Fe的熔点较高,所以热压温度较高,在制备复合材料过程中Cr2AlC完全分解．在MAX相增强Cu基复合材料的研究中发现[7,9,17],Cr2AlC与金属Cu的热膨胀系数十分接近,而其他MAX族化合物与金属Cu的热膨胀系数差异较大．因此Cr2AlC可能是更好的Cu基复合材料增强体．

本实验制备了高纯度Cr2AlC粉体,然后用热压烧结法制备出Cu-Cr2AlC复合材料,测试其硬度、屈服强度、抗拉强度等力学性能,并对材料进行X射线衍射(XRD)表征、光学显微分析、扫描电子显微镜(SEM)断口扫描分析,研究Cr2AlC的加入量对Cu-Cr2AlC复合材料的显微结构和力学性能的影响,为进一步开发新型Cu基复合材料提供依据．

1 实验材料及方法

采用无压烧结方法制备Cr2AlC陶瓷粉体,所用原料为Cr粉(粒径为200目,纯度大于99.95%),Al粉(粒径为200目,纯度大于99.5%)和石墨粉(粒径为300目,纯度大于99.5%)．将Cr粉,Al粉和石墨粉按摩尔比2∶1.1∶1装入球磨罐中在球磨机上机械混合6 h使其混合均匀,球磨机转速为280 r/min,经烘干处理后装入刚玉管中,在管式炉中以10 ℃/min的升温速率加热至1 350 ℃并保温0.5 h,在此过程中通入氩气作为保护气氛,之后样品随炉冷却至室温．反应完成后经研磨、过筛获得尺寸均匀的Cr2AlC粉末颗粒,其颗粒尺寸为1～30 μm,纯度大于97%[18]．

在金属Cu粉(粒径为50 μm,纯度大于99%)中加入Cr2AlC颗粒,使Cr2AlC的体积分数分别达到5%,10%,15%,20%,30%(所得复合材料记为S-5,S-10,S-15,S-20,S-30),经机械混合12 h后得到混合均匀的Cu/Cr2AlC复合粉末．将这些粉末分别装入石墨模具中,在氩气气氛中进行热压烧结,热压烧结温度为900 ℃,压力为25 MPa,保温时间为1 h．烧结完成后卸除压力并随炉冷却，获得Cu-Cr2AlC复合材料．为了对比实验结果,在同样工艺条件下制备了纯Cu样品．

图2 纯Cu(a)和Cu-Cr2AlC 复合材料(S-5(b),S-10(c),S-15(d),S-30(e)) 的金相组织及Cu基体的晶粒尺寸随Cr2AlC体积分数的变化关系(f)Fig.2 Microstructures of pure Cu(a) and the samples S-5(b),S-10(c),S-15(d),S-30(e), and grain size of Cu matrix versus the reinforcement volume content for the samples(f)

所制备复合材料及纯Cu样品的物相组成用XRD进行检测,Cr2AlC在Cu基体中的分布和Cu基体晶粒尺寸用光学显微镜观察．在维氏硬度仪上测试样品的维氏硬度,所用载荷为10 N;在万能试验机上进行拉伸力学性能实验,应变速率为2×10-3s-1．拉伸断口形貌通过SEM进行观察．

2 结果与讨论

2.1 物相与金相分析

图1为各样品的XRD谱图．当Cr2AlC的加入量大于20%时,XRD谱图中出现了AlCu的衍射峰．这是因为在高温烧结时,Cr2AlC中的Al原子扩散至Cu基体中生成了AlCu相[10,19]．

a.纯Cu;b～f依次为S-5,S-10,S-15,S-20,S-30.图1 纯Cu及复合材料的XRD谱图Fig.1 XRD patterns of the pure Cu and composites

图2是纯Cu和Cu-Cr2AlC复合材料的金相照片．从图2(a)中可以看出,纯Cu样品中有一些均匀分布的密闭气孔,而在图2(b)～(e)复合材料中可以观察到绝大部分Cr2AlC颗粒分布在Cu的晶界处,且当Cr2AlC体积分数较小(为5%,10%及15%)时,Cr2AlC颗粒分布较为均匀(图2(b)～(d));当体积分数增大至30%,Cr2AlC颗粒出现了团聚现象(图2(e))．此外还可以看出,纯Cu中Cu的晶粒尺寸明显大于复合材料中Cu基体的晶粒尺寸,Cr2AlC体积分数为5%时使Cu基体晶粒的平均尺寸明显降低到约6 μm,进一步增大Cr2AlC的体积分数,Cu基体的晶粒尺寸基本保持不变,表明Cr2AlC颗粒的加入可以起到晶粒细化的作用．纯Cu及复合材料中Cu基体的晶粒尺寸与Cr2AlC体积分数的关系如图2(f)所示．由于Cr2AlC颗粒的加入会阻碍Cu晶粒在热压过程中的长大和晶界的迁移,且Cr2AlC的存在会为Cu晶粒在温度较高时发生再结晶提供形核点,这些都有利于基体晶粒的细化,从而使Cu晶粒的尺寸维持在大约6 μm,将对基体起到显著的增强作用．

2.2 力学性能

(a)维氏硬度；(b)强度；(c)气孔率；(d)延伸率.图3 材料的力学性能随Cr2AlC体积分数的变化关系Fig.3 Mechanical properties versus the volume content of Cr2AlC for the samples

图3(a)～(d)分别是Cu-Cr2AlC复合材料的维氏硬度、屈服/抗拉强度、气孔率及拉伸延伸率随Cr2AlC体积分数的变化关系．从图3(a)可以看出Cu-Cr2AlC复合材料的维氏硬度随着Cr2AlC体积分数的增加显著增加,当Cr2AlC体积分数为30%时,复合材料的维氏硬度达到220 HV,是纯Cu硬度95 HV的2.3倍左右．这是由于Cr2AlC的加入使Cu基体的晶粒得到明显细化,起到细晶强化的作用,且复合材料中的AlCu相也会对Cu基体起到一定的强化作用[9,19]．

复合材料的屈服强度和抗拉强度随Cr2AlC体积分数的变化关系如图3(b)所示．可以看出,Cr2AlC的加入使得复合材料的强化效果非常显著,屈服强度和抗拉强度都随Cr2AlC体积分数的增加而增加．当Cr2AlC体积分数达20%时,屈服强度和抗拉强度分别为230和315 MPa,分别是纯Cu的2.8倍和1.7倍．当Cr2AlC体积分数达到30%时,复合材料的屈服强度和抗拉强度反而下降．材料在受到拉应力时,少量的增强相可以起到弥散强化的作用,但是继续增加Cr2AlC的体积分数,其颗粒的团聚会造成复合材料气孔率的增加(如图3(c)所示),这些气孔会对材料的力学性能产生不利影响,从而导致材料的强度下降．Zhang等[7]关于Cu-Ti3AlC2复合材料的研究中,屈服强度和抗拉强度最高值分别为260和280 MPa;而Wu等[9]关于Cu-Ti2SnC复合材料的研究中,屈服强度和抗拉强度为227和360 MPa．从图3(d)可以看出,随着Cr2AlC体积分数的增加,Cu-Cr2AlC复合材料的拉伸延伸率逐渐降低,表明其塑性逐渐降低．

通过对Cu-Cr2AlC复合材料力学性能的分析表明,在金属Cu中加入Cr2AlC颗粒可以达到明显的增强效果,其中Cr2AlC体积分数为20%的Cu-Cr2AlC复合材料具有最佳屈服强度和抗拉强度,同时拉伸延伸率也保持在11.2%的良好水平．

(a)纯Cu;(b)～(f)依次为S-5,S-10,S-15,S-20,S-30.图4 纯Cu及Cu-Cr2AlC 复合材料的拉伸断口形貌Fig.4 SEM images of the tensile fracture surface morphology for pure Cu and Cu-Cr2AlC composites

图4是纯Cu和Cu-Cr2AlC复合材料的断口形貌．从图4(a)纯Cu材料的断裂表面可以观察到较深的韧窝以及撕裂棱,表明纯Cu的断裂形貌为典型的塑性断口形貌．在体积分数为5%的Cu-Cr2AlC复合材料的断口上(图4(b))分布的韧窝已经开始变浅且形状变得不规则,在韧窝的底部是Cr2AlC增强颗粒,此外还出现一些较小的孔洞；这表明随着Cr2AlC体积分数的增加,复合材料断口的形貌已逐渐转变为脆性断裂特征,弥散分布的Cr2AlC颗粒有效地阻碍了Cu基体的塑性变形从而提高了复合材料的强度．图4(c)中体积分数为10%的Cu-Cr2AlC复合材料的断口上观察到的韧窝尺寸比含5%体积分数Cr2AlC的复合材料的小,而体积分数为20%的Cu-Cr2AlC复合材料的断口呈现出Cu基体塑性变形的韧窝和较大的Cr2AlC脆性断裂的特征；表明Cu基体与增强颗粒之间有着强的界面结合,这是复合材料被强化的原因之一．进一步增加Cr2AlC的体积分数(图4(f)),断口形貌主要呈现Cr2AlC颗粒脆性断裂的特征,并且在复合材料的界面上可以观察到明显的裂纹．Cr2AlC颗粒的添加造成Cu基体致密度降低,而Cr2AlC颗粒团聚导致界面裂纹的存在,从而降低了Cu-Cr2AlC复合材料的塑性,并导致了复合材料的增强效果并没有随Cr2AlC体积分数的增加而进一步增加．

3 结 论

1) Cr2AlC颗粒能有效增强Cu的力学性能,复合材料的维氏硬度、强度等都随着Cr2AlC体积分数的增加而增加．当Cr2AlC体积分数为20%时,增强效果最佳,屈服强度和抗拉强度分别达230和315 MPa,分别是相同工艺条件下纯Cu材料的2.8倍和1.7倍,并保持11.2%的良好拉伸延伸率．

2) Cu-Cr2AlC复合材料的强化主要是由于Cu基体的晶粒细化和基体与Cr2AlC颗粒之间强的界面结合引起的．

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