納米晶A1的晶粒尺寸控制及微觀結構表征

鄧均+宋言紅

摘要：通過控制供料速率，采用自懸浮定向流法和真空熱壓技術制得了不同晶粒尺寸的納米晶A1塊體。通過x射線衍射分析，掃描電鏡分析和顯微硬度測試研究了塊體的微觀結構和力學性能。研究結果表明：通過改變自懸浮定向流技術的供料速率和熱壓溫度均可調控納米晶A1塊體的晶粒尺寸，但前者的作用更明顯，這是因為納米A1顆粒表面的氧化層增加了塊體的熱穩定性。納米晶Al塊體的顯微硬度和晶粒尺寸呈現出正的Hall-Petch關系。

關鍵詞：供料速率；自懸浮定向流法；真空熱壓；

Hall-Petch關系

中圖分類號：TGl46.21文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2016）09-184-02

前言

由于在許多方面表現出特殊的性質，近幾十年來納米晶材料一直是科學研究的熱點。盡管目前已有各式各樣的納米材料的制備方法，但成本和產量仍然是限制納米材料廣泛應用的關鍵問題。自懸浮定向流法是最近發展起來的一種較為高效的納米粉末的制備方法，其可實現連續化生產，產量較高，并可制備絕大多數金屬及合金的納米粉末。真空熱壓是一種有效的粉末固結技術。結合自懸浮定向流法和真空熱壓技術，目前已制備出了高質量的Al、Cu、Fe、Ti、TiAl、CttAl等納米晶金屬及合金。

晶粒尺寸是影響納米晶材料性能最重要的因素。然而，目前還沒有系統的討論調控自懸浮定向流一真空熱壓過程的晶粒尺寸的報道。本文通過控制自懸浮定向流技術的供料速率制得了不同晶粒尺寸的納米晶Al塊體，并研究了其微觀結構和力學性能。

1.實驗方法

通過自懸浮定向流技術，分別采用0.7、1.4、2.1g/h的供料速率制備納米Al粉末。然后將制得的納米粉末在設備上進行熱壓處理。壓室內真空度保持在1.5x10^-3pa以下，熱壓溫度Tp為450°C，熱壓壓力P為555MPa，熱壓時間t為60min。

利用PhilipsXPertPRO型x射線衍射儀，測定樣品的XRD衍射譜線。通過Williams-Hall方法分析樣品的晶粒尺寸和微觀應變。

通過FEI Sirion 200型場發射掃描電子顯微鏡（SEM）進行塊體樣品斷口的微觀形貌觀測和微區成分的能譜分析（EDS）。用MVD-1000D1型維氏硬度計進行顯微硬度測試，測試中負載時間為15s，測試載荷0.5kg，每個樣品的顯微硬度均取5個點計算平均值。

2.實驗結果與討論

2.1納米Al粉末的表征

從圖3-1中可以看出，不同供料速率制得的納米A1粉末中均有較大和較小的顆粒存在，很難直接分辨出不同供料速率制得的粉末的粒徑差別。

圖3—1不同供料速率制得的納米A1粉的XRD圖譜（a）

0.7，（b）1.4，（c）2.1g，h

從圖3-2（a）中可以看出，制備過程中沒有引入XRD可分辨的雜質相。與粗晶Al相比，納米Al粉末的XRD衍射峰峰形變寬，峰強變弱，表明其晶粒發生了細化。圖3-2（b）是根據XRD圖譜，通過Scherrer公式估算的納米Al粉末的晶粒尺寸，可見，隨供料速率增大，粉末的平均晶粒尺寸增大。

2.2納米晶Al塊體的微觀結構

從3-3（a）可以看出熱壓過程沒有引入XRD可分辨的雜質相。圖3-3（b）是根據塊體的XRD圖譜，通過Williams-Hall方法計算得到的晶粒尺寸和微觀應變。可以看出，隨供料速率增大，粉末的平均晶粒尺寸增大，納米晶A1塊體的平均晶粒尺寸也明顯增大。溫度是影響材料晶粒尺寸最重要的因素之一，然而之前的研究發現，熱壓溫度小于500°C時，采用不同溫度熱壓的納米晶Al塊體的晶粒尺寸相差很小，熱壓溫度大于500°C時，塊體的晶粒尺寸也僅略有增長。可見，通過控制供料速率更能有效的調控納米晶Al塊體的晶粒尺寸，這主要是因為納米Al顆粒表面的氧化層增加了塊體的熱穩定性。

塊體的平均晶粒尺寸相比于粉末平均晶粒尺寸略有增大，但沒有發生明顯的異常長大現象，各塊體均保持了納米晶結構。這主要是因為加熱條件下，多晶顆粒內位錯和晶界運動造成了多晶顆粒內晶粒的長大，然而由于顆粒表面連續致密氧化層的阻礙作用，晶界很難跨過氧化層進一步造成晶粒長大，所以各塊體平均晶粒尺寸相比粉末略有長大而仍然保持納米晶結構。

2.3納米晶Al的顯微硬度

由圖3-4可以看出，各塊體的顯微硬度遠遠大于粗晶A1的顯微硬度（0.27GPa），達到了粗晶Al顯微硬度的8～10倍，且隨塊體平均晶粒尺寸的增大，納米晶Al的顯微硬度增大，即基本服從一種正的Hall-Petch關系。已有研究表明，晶粒尺寸D從粗晶降到納米級，Al表相出三種模式的Hall-Petch關系，即D>約70nm時，D和強度遵循Hall-Petch關系；當約70nm>D>約40nm時，其強度在原Hall-Perch關系基礎上出現正偏移；當D<約40nm，D和強度表現出反Hall-Petch關系。本實驗各塊體的晶粒尺寸均大于40nm，塊體顯微硬度隨晶粒尺寸減小而增大，這與現有文獻研究結論相一致。

3.結論

通過控制供料速率，采用自懸浮定向流法和真空熱壓技術制得了不同晶粒尺寸的納米晶Al塊體并研究了其微觀結構和力學性能。供料速率越小，粉末和塊體的平均晶粒尺寸也越小。通過改變自懸浮定向流技術的供料速率和熱壓溫度均可調控納米晶A1塊體的晶粒尺寸，但前者的作用更明顯，這是因為納米Al顆粒表面的氧化層增加了塊體的熱穩定性。納米晶Al塊體的顯微硬度和晶粒尺寸呈現出正的Hall-Petch關系。