氧化铝增强铝基复合材料的微结构与性能研究

余小红，魏鹏飞，李 尧，童幸生，薛 平

（江汉大学 机电与建筑工程学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

航空航天工业的发展要求新型材料具备高比强度、轻量化等优良性能，这种需求不断推动金属基复合材料的发展［1-3］。其中铝基复合材料性能优异，具备密度小、高比强度和比刚度、高屈服强度、高弹性模量、高抗疲劳性能和蠕变抗力、高耐磨性、高阻尼减振能力、低热膨胀率和成本低等优点，从而得到了广泛关注［4-6］。而Al2O3是除SiC外使用最多的一种增强颗粒［7-8］。目前关于Al2O3的粒径大小、添加量、烧结温度和烧结压力对铝基复合材料性能影响的研究有较多的报道［9-15］，得出了以下结论：适当减小Al2O3的粒径、提高烧结温度和压力，有利于材料致密化程度和力学性能的提高。但对于Al2O3添加量的研究还存在争议。郑刘斌［9］研究发现，随着Al2O3添加量的增加，复合材料的相对密度逐渐降低；而周健［10］的研究结果显示，随着Al2O3添加量的增加，复合材料硬度提高；范涛等［11］的研究结果则是，Al2O3质量分数由5%增加到15%，每次增加5%，试样磨损量先降低至最低点，随后升高，试样磨损量在Al2O3颗粒含量为10%时达到最小值。鉴于此，本课题通过粉末冶金法制备了质量百分数分别为1%、2%、3%、4%和5%的Al2O3增强铝基复合材料，结合X射线衍射、金相显微镜和扫描电子显微镜，分析了微结构与微形貌对复合材料硬度的影响。

1 试验材料和方法

采用的原材料中的增强相是平均粒径为30 nm、纯度为99.99%的α-Al2O3颗粒；基体相是平均粒径为40 μm、纯度为99.9%的铝粉。从前期试验结果中发现，在球磨机、真空热压烧结炉和热压石墨模具的使用限度之内，当球磨转速为300 r∕min、球磨时间为24 h、磨球比为1∶2∶4（球径分别为12.5、10和8 mm）、烧结温度为400℃、烧结压力为50 MPa时，复合材料的相对密度和硬度最高。本实验采用以上最佳工艺参数，按照一定配比称量Al2O3和铝粉，以无水乙醇作为分散剂，选择钢球为球磨介质在GQM-5-2型球磨机上球磨24 h，使原料混合均匀。然后将混合均匀的粉料在CXT2-50-18Y型真空热压烧结炉中热压烧结成Ф30 mm、高8～12 mm的圆柱形样品。

利用排水法测试试样的密度；通过HVS-1000S型维氏硬度计测试试样的硬度，采用3点求平均法，所加载荷为0.980 7 N，加载持续时间为10 s；通过X′Pert Powder型X-射线衍射仪对样品的微结构进行测试；将制得的试样经过磨制抛光后用6%的硝酸水溶液侵蚀5 s，在立式双目DMI5000M型金相显微镜下观察组织；并在SU8010型扫描电子显微镜上进一步观察组织，并进行EDS成分分析。

2 试验结果与分析

2.1 相对密度分析

表1为试样的实际密度、理论密度和相对密度。其中实际密度是用排水法测得，理论密度为按照复合材料配比计算的密度，相对密度为两者之比值。相对密度与复合材料的致密化程度相关，相对密度越大，材料实际密度与理论密度比值越接近1，致密性也就越好。

表1 各组分试样的实际密度、理论密度和相对密度Tab.1 Actual density，theoretical density and relative density of different samples

从表1中可以看到，试样的实际密度要小于其理论密度，这是因为粉末冶金材料试样在热压制备过程中，粉末颗粒之间必然存在间隙，同时Al2O3颗粒是脆性材料，不易发生塑性变形，其对铝粉的烧结有很强的抑制作用，提高了基体扩散的起始位能，使体积扩散难以启动，阻碍了粉末颗粒间的空位流动，延缓了烧结颈的长大。另外，由表1可知，随着Al2O3颗粒的增加，相对密度逐渐减小，但下降的数值较小，这说明材料的致密性随着Al2O3添加量的增加有轻微下降，复合材料的相对密度受添加量的影响较小。因为在烧结过程中，粉末颗粒在高温高压下会发生液化，当重新固化时，会形成紧密的结合。且Al2O3∕Al复合材料在烧结过程中充当液相的是Al颗粒，据此可以认为，Al2O3添加量的增加，反过来是Al比例的减少，从而烧结过程中液相减少，导致材料相对密度降低［16］。

2.2 硬度分析

表2为Al2O3添加量不同时复合材料的硬度值。由表2可知，在温度、压力和其他工艺参数等条件不变的情况下，随着Al2O3的加入，复合材料的硬度较纯Al均有所增加。当Al2O3含量为0～2%时，随着Al2O3含量的增加，复合材料的硬度逐渐增加，这是因为Al2O3分散于Al基体中，起到弥散增强的作用；而当Al2O3含量为2%～5%时，随着Al2O3含量的增加，复合材料硬度降低，这是因为Al2O3颗粒是脆性材料，不易发生塑性变形，而且还阻碍Al基体塑性变形，另外，Al2O3颗粒含量多时，容易发生聚集，这样在压力下烧结时，就容易形成孔洞和缺陷，造成复合材料硬度降低［17］。当Al2O3含量为2%时，复合材料的硬度最高，达到了38.7 HV，相比较纯铝的25.3 HV，硬度提高约53%，这与Al2O3的弥散增强作用有关。

表2 不同Al2O3添加量复合材料的维氏硬度Tab.2 Vickers hardness of composites with different alumina content

2.3 XRD图谱分析

测试复合材料的硬度，Al2O3添加量为2%时，材料硬度最高，4%时的硬度下降很大，所以对这两组复合材料进行XRD测试。由图1可知，当Al2O3添加量分别为2%和4%时，试样在2θ为38.44°、45.90°、65.18°、78.30°、82.35°处均出现明显衍射峰，与PDF标准卡片比较，分别与Al的（111）、（200）、（220）、（311）、（222）晶面衍射峰对应一致，表明试样成分中包含Al；而图谱中没有出现Al2O3的衍射峰，分析原因是复合材料中加入的Al2O3颗粒较少，只有2%和4%，超出仪器测量精度范围。通过Jade软件计算试样的晶粒度可知：Al2O3含量为2%时，Al的晶粒度为3.982 3 nm；Al2O3含量为4%时，Al的晶粒度为4.076 1 nm。由此可知，Al2O3的添加能有效细化Al基体的晶粒，当Al2O3含量为2%时，Al基体的晶粒度较Al2O3含量为4%时更小，由于细晶强化作用，其硬度、强度等性能也更好。这与以上硬度测试结果对应一致。

图1 复合材料的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of composites

2.4 金相组织分析

图2为试样的金相组织图，其中（a）、（b）是Al2O3添加量为2%时，分别放大了100倍和500倍的金相显微组织图片；（c）、（d）是Al2O3添加量为4%时，分别放大了100倍和500倍的金相显微组织图片。由图2（a）中清晰地看到试样的晶粒细小，约为20 μm。通过图2（b）可以发现银白色Al基体上均匀分布着的Al2O3白色颗粒，且分散均匀，试样致密性较好。由图2（c）和图2（d）可以清晰地看到试样表面晶粒大小约为30 μm，并分布有一些黑色颗粒团，这是由于晶间腐蚀造成的。

2.5 SEM图谱分析

根据测试的复合材料的硬度，Al2O3添加量为2%时，材料的硬度最高，故选用该试样进行SEM观察，并做EDS成分分析，结果如图3所示。从图3（a）中可以清晰地看出，在灰色的Al金属基体之上弥散分布着白色的Al2O3增强相。另外，从图中看到试样有明显的团絮状物体，大小约为7 μm，经过EDS成分分析发现，该物质为Al2O3。而实验中所使用的Al2O3的平均粒径为30 nm，说明试样中的纳米颗粒的增强相发生了团聚。团聚现象是采用粉末冶金法制备复合材料过程中经常出现的现象，它会影响复合材料的致密性，从而使复合材料的综合性能变差。但总体来说，试样的紧实度较好，没有明显的微裂纹。

图2 （a）2%Al2O3放大100倍的金相组织图；（b）2%Al2O3放大500倍的金相组织图；（c）4%Al2O3放大100倍的金相组织图；（d）4%Al2O3放大500倍的金相组织图Fig.2 （a）Microstructures with 2%Al2O3magnified by 100 times；（b）Microstructures with 2%Al2O3magnified by 500 times；（c）Microstructures with 4%Al2O3magnified by 100 times；（d）Microstructures with 4%Al2O3magnified by 500 times

图3 2%Al2O3样品的SEM图片和EDS图谱Fig.3 SEM and EDS spectrum of prepared sample with 2%Al2O3

3 结论

采用粉末冶金法制备了一系列的Al2O3∕Al复合材料，研究了不同Al2O3添加量对复合材料的相对密度、硬度、晶相组成、金相组织和微形貌的影响。结果发现，Al2O3的加入虽然降低了材料的相对密度，但仍然能有效提高材料的硬度。当添加Al2O3质量分数为2%时，复合材料的硬度最大，为38.7 HV，较纯Al提高了53%。这是因为Al2O3的添加能阻碍Al晶体长大，有效细化Al基体的晶粒。