熱壓燒結Al2O3／Fe－28Al－5Cr復合材料的組織和性能

徐建林，甄乾，張興華，馬吉強，李斐，楊軍

（1.蘭州理工大學材料科學與工程學院，蘭州 730050；2.中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室，蘭州 730000）

0 引 言

鐵鋁系金屬間化合物材料不但成本低、密度小、比強度高、抗磨性能良好，并且具有優異的抗高溫氧化和腐蝕性能，在航空航天、汽車、化工等領域具有廣闊的應用前景［1－5］。鐵鋁系金屬間化合物主要包括Fe3Al和FeAl，Fe3Al金屬間化合物中鋁的原子分數為25%～35%，與FeAl相比，具有更好的室溫韌性和高溫強度。

盡管Fe3Al金屬間化合物具有廣闊的應用前景，但兩個關鍵問題——室溫脆性及600℃以上強度和蠕變抗力急劇降低制約了它的發展及應用［3，6］。鋁與水汽發生反應產生活性氫原子是導致其室溫脆性的根本原因［7］，而鉻是提高其室溫塑性和韌性最有效的合金元素之一，也可以提高合金的耐腐蝕性能［8－9］。此外，在Fe3Al金屬間化合物中加入連續或非連續的增強相，如Al2O3、SiC、TiB2等陶瓷或鎢、鉬、鈮等難熔金屬的長（短）纖維、顆粒、晶須等來制備Fe3Al金屬間化合物基復合材料，有望能提高其高溫蠕變性能［10－13］，同時通過與陶瓷相的復合能顯著提高Fe3Al金屬間化合物的耐磨性能［14－17］。

作者課題組前期的相關研究表明，TiC／Fe－28Al－5Cr復合材料具有優異的力學性能和摩擦學性能，但由于TiC在800℃以上容易氧化失效，導致此復合材料在800℃以上的耐磨性能變差。為解決此問題，作者選擇Al2O3陶瓷顆粒作為強化相來制備復合材料。有關Al2O3顆粒增強Fe3Al基復合材料的制備，國內外已有部分文獻報道，但主要集中在一些液態成形方法的研究上，這類方法容易造成成分偏析，且含有大量增強相的熔體黏度較高、流動性差、成型困難。相比之下，熱壓燒結法具有易于控制微觀結構、成分均勻、無偏析和晶粒細小等優點。因此，作者采用機械合金化結合熱壓燒結技術制備了 Al2O3／Fe－28Al－5Cr復合材料，研究了復合材料的微觀結構、力學性能和高溫耐磨性能。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原材料為自制的 Fe－28Al－5Cr（原子分數／%）合金粉（粒徑75μm）和商業納米Al2O3粉（粒徑50～100nm），按照表1設定的比例，將兩種粉混合后在Fritsch Pulverisettes 5型高能球磨機（磨球為WC／Co硬質合金球，球料質量比為2.5∶1.0）中以300r·min－1的轉速球磨混合8h。把球磨后的混合粉置于涂有BN的石墨模具內，然后放入熱壓燒結爐中燒結，加熱速率為10℃·min－1，動態真空度約為10－2Pa，在26MPa壓力下，分別在不同溫度下保溫不同時間進行熱壓燒結，燒結參數見表1。之后將燒結體切割為測試試樣，依次用砂紙打磨并用拋光機拋光后待用。

表1 原料配比及熱壓燒結條件Tab.1 Raw materials ratio and hot－pressed sintering parameters

1.2 試驗方法

根據阿基米德原理測不同試樣的密度；用MH－5型硬度計測試樣的顯微硬度，載荷為2.94N，保壓時間10s，測試10次取平均值；用DY35型萬能試驗機在室溫下測試樣的彎曲性能和壓縮性能。單軸壓縮試驗采用直徑3mm、高5mm的圓柱形試樣，壓頭速度為0.1mm·min－1。三點彎曲試驗采用尺寸為3mm×3mm×30mm的立方棒狀試樣，跨距為20mm，壓頭速度為0.1mm·min－1。試驗結果均取3次測試的平均值。

用D／Max－2400型X射線衍射儀進行物相分析，用銅靶Kα射線為衍射源；用帶有X射線能譜儀的JSM－5600LV型掃描電鏡分析顯微組織、觀察彎曲試樣的斷口形貌，并對元素分布進行線掃描。用于顯微組織觀察的試樣先用膠體氧化鋁拋光，然后用體積分數為20%的HF溶液腐蝕。

用自制的HT－1000型高溫摩擦試驗機進行摩擦學性能試驗，采用球－盤接觸形式，對偶材料為Si3N4陶瓷球（直徑6.35mm，維氏硬度為15GPa），在室溫、400℃和800℃下進行摩擦試驗，施加載荷為10N，旋轉半徑為5mm，相對速度為202mm·s－1，運行時間為20min。采用表面輪廓儀測試磨損表面的橫截面面積，磨損體積V可以通過式（1）計算獲得。

式中：A為磨損軌跡的橫截面面積；L為磨損軌跡的周長。

磨損率W 通過式（2）計算獲得。

式中：S為滑動距離；N為載荷。

所有摩擦試驗均重復三次，磨損率取三次試驗的平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

根據文獻［16］可知自制的Fe－28Al－5Cr合金粉由無序α－Fe3Al相組成。由圖1可知，燒結得到的Fe－28Al－5Cr合金（FA0）及其復合材料均由無序α－Fe3Al相與Al2O3相組成，未檢測到其它物相。

圖1 不同試樣的XRD譜Fig.1 XRD patterns of different samples

從圖2可以看到，不同試樣的內部均無明顯的晶間氣孔和孔洞存在，組織整體上較為均勻。其中白色相為Al2O3，主要分布在晶界上，并且隨著Al2O3添加量的增加，復合材料中白色Al2O3的含量增多。FA0試樣的組織均勻、晶粒細小，晶粒尺寸在幾個微米到十幾個微米之間。在FA10－1試樣組織中，一部分Al2O3分布于晶界處，還有一部分分布于晶粒內；而FA10－2試樣中，Al2O3大部分位于晶界處，且部分連接在一起，在一定程度上將基體隔開。FA20－2試樣的顯微組織中Al2O3幾乎全部位于晶界處，并連接在一起形成網狀結構，將基體完全隔開。

從圖3可以看出，第二相呈網狀結構分布于基體中，在第二相的位置處，鋁、氧兩種元素的含量明顯升高，鐵、鉻兩種元素的含量明顯降低。可確定Al2O3分布在晶界處，即圖2中的白色相。

圖2 不同試樣的SEM形貌Fig.2 SEM images of different samples

圖3 FA20－2試樣的元素分布線掃描結果Fig.3 Line scanning graph of elements distribution in FA20－2sample

2.2 力學性能

由表2可以看出，合理的選擇燒結參數能保證試樣的相對密度達到99%以上，對于Al2O3含量較高的復合材料，為獲得高的致密度，需要較高的燒結溫度。與FA0（Fe－28Al－5Cr合金）試樣相比，復合材料的硬度有了一定程度的提高，但抗彎強度和抗壓強度均有下降。

由圖4可以看出，FA0試樣沒有出現明顯的斷裂，呈現出應變硬化的特點，也就是說FA0試樣在壓縮過程中表現出了很好的塑性；加入10%Al2O3的試樣具有壓縮屈服的現象，表現出一定的塑性變形，FA10－2試樣的塑性變形量明顯低于FA10－1試樣的，這說明Al2O3分布在晶界處比分布在晶內對復合材料的韌性更有害；加入20%Al2O3的試樣在斷裂前沒有發生塑性變形。

表2 不同試樣的力學性能Tab.2 Mechanical properties of different samples

圖4 不同試樣的壓縮應力－應變曲線Fig.4 Compressive stress－strain curves of different samples

從圖5可以看到，隨著Al2O3含量提高，試樣在彎曲斷裂時的變形量大幅度降低。FA0試樣在斷裂前表現出一定的塑性，而復合材料試樣在斷裂前幾乎沒有發生塑性變形。

圖5 不同試樣的彎曲應力－位移曲線Fig.5 Bending stress－displacement curves of different samples

由圖6（a）可見，FA0試樣的斷口呈現出典型的韌窩斷裂特征，這是由于其顯微組織均勻、晶粒細小，在最后斷裂之前能夠吸收較多的塑性變形能。而對于含有Al2O3的復合材料，由于Al2O3多分布于晶界處，降低了晶界的結合強度。圖6（b）所示FA10－1試樣的彎曲斷口呈現出解理斷裂和韌窩斷裂的混合斷裂特征。隨著Al2O3含量的增加以及燒結溫度的升高，復合材料的抗彎強度進一步降低，圖6（c）和圖6（d）所示復合材料的彎曲斷口主要呈現解理斷裂的特征。

熱壓燒結制備的Fe－28Al－5Cr合金具有優異的力學性能，其抗彎強度為1610MPa，壓縮屈服強度達到950MPa（見圖4）。與鑄態Fe3Al相比［12］，其抗彎強度高出近一倍，壓縮屈服強度［2］也有50%的提高幅度。

圖6 不同試樣彎曲斷口的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of bended fracture of different samples

其室溫力學性能的提高一方面是由于機械合金化使得鋁、鉻原子均勻彌散地分布于鐵中，形成了均勻的固溶體，同時高能球磨形成了粒徑細小的粉體，熱壓燒結后得到了組織均勻、晶粒細小的Fe3Al合金，晶粒細化會產生細晶強化效應［18］；另一方面，鉻元素的添加可以在材料表面形成一層致密的氧化膜，阻礙環境氫脆的發生，提高室溫韌性［8－9］。而采用熔鑄工藝制備Fe3Al合金時，易出現晶界偏析，且易受到環境氫脆的影響，材料的力學性能較差。

Al2O3作為硬質強化相加入基體中，并經熱壓燒結以后，Al2O3主要分布在Fe3Al基體的晶界處，如圖2所示。當Al2O3的加入量為10%時，分布于晶界的Al2O3只是部分連接在一起，基體在一定程度上被隔開；當Al2O3的加入量達到20%時，形成了明顯的Al2O3脆性網狀結構，基體被完全分隔開，Fe3Al基體和Al2O3二者的界面結合強度顯著小于基體本身的強度，并且彎曲應力對材料的組織分布較為敏感，因而復合材料的抗彎強度顯著降低。由于壓縮應力對組織分布敏感度較低，復合材料抗壓強度的降幅較抗彎強度的小，但復合材料的強度均隨Al2O3含量的增加而降低。Al2O3顆粒未均勻彌散地分布于基體中，導致Al2O3未能很好地實現強化基體的目的。而通過先進的燒結技術，如等離子活化燒結，可以大幅度降低Al2O3的擴散，得到強度較高的復合材料［13］。

盡管復合材料的抗壓強度低于基體合金的，但從圖4可以看出，加入10%Al2O3試樣的壓縮屈服強度卻高于FA0試樣的。這是由于Al2O3的硬度顯著高于Fe3Al基體的，從而使復合材料的硬度得到了提升；另外，加入10%Al2O3試樣中的Al2O3含量相對較低，基體被部分隔開，因而其壓縮屈服強度高于基體合金的。而FA20試樣由于組織中脆性網狀結構的形成，其在壓縮試驗中未出現屈服點而直接斷裂。

FA10－1試樣與FA10－2試樣相比，顯微組織有一定的差別，如圖2（b），（c）所示。1350℃燒結時，有更多的Al2O3分布于晶界處，因而其抗彎強度更低，而抗壓強度對材料的組織分布敏感度相對較低，燒結溫度的升高使硬度有了一定程度的提高，故其抗壓強度反而略有改善。FA20－1試樣經打磨、拋光后有許多麻點，測得其相對密度為92.9%，不夠致密，故未測其力學性能。因此把燒結溫度提高到1400℃，燒結后試樣的相對密度高，但Al2O3幾乎完全分布于基體的晶界處，致使其抗彎強度、抗壓強度急劇下降。

2.3 耐磨性能

從圖7中可以看到，三種試樣在室溫下的磨損率都較低；在400℃時FA0試樣以及FA10－1試樣的磨損率明顯高于FA20－2試樣的。盡管800℃時FA10－1試樣的磨損率略高于FA0試樣的，但總體而言，隨著Al2O3含量的增加，復合材料的耐磨性能得到了一定的提高，尤其是Al2O3加入量達到20%時，盡管其力學性能下降較多，但其在高溫下的耐磨性能得到了明顯改善。

圖7 三種試樣在不同溫度下的磨損率Fig.7 Wear rate of three samples at different temperatures

由于Al2O3具有高的彈性模量和硬度，因此復合材料的硬度得以提高。加入10%Al2O3試樣中的Al2O3含量較低，雖分布于晶界但并未完全連接在一起，且高溫下Al2O3與基體的熱膨脹失配比較明顯。在摩擦過程中未連接在一起的Al2O3硬質相可以承受載荷，降低磨損率，但它卻容易從基體上剝落，從而增大了磨損率，綜合作用的結果是造成該試樣的磨損率與基體相比無明顯改善。加入20%Al2O3試樣中的Al2O3分布于晶界且連接成網狀結構，雖然網狀結構脆性較大，但摩擦過程中可以有效承載載荷，起到了抗磨損的作用，同時也不易與基體分離。因此該試樣的磨損率明顯降低。

3 結 論

（1）熱壓燒結制備的復合材料由Fe3Al基體和Al2O3增強相組成，Al2O3分布于Fe3Al基體的晶界處，當Al2O3的加入量為10%時，基體在一定程度上被隔開，當Al2O3的加入量為20%時，形成了明顯的網狀結構，基體被完全分隔開；復合材料的相對密度可達99%以上。

（2）Al2O3相在晶界分布導致復合材料的強度降低，復合材料的強度隨著Al2O3含量的增加明顯下降。

（3）盡管Al2O3的加入量為20%時，復合材料的力學性能相對較差，但其在高溫下的磨損率卻明顯降低，這說明Al2O3可以改善Fe3Al金屬間化合物的高溫耐磨性能。

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