氮化鈦強化鋁合金基體的粉末冶金制備與性質

孫騫，李喜坤，劉鳳國，黃軼文

（沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159）

復合材料（也稱為組合物材料）是一種先進的材料形式，由兩種或兩種以上的組成材料組成，在結合時具有不同的物理和化學性質，產生與單個組成材料具有不同特性的材料。目前，鋁合金作為一種新型的復合材料，其質量輕，比強度高，剪切強度高，熱膨脹系數低，熱穩定性好，導熱性高，耐磨性好。TiN 在 TiN/Al 基體中具有高強度、高硬度、耐磨損、耐酸堿、耐高溫等性能。另外，由于其優良的導熱性和導電性，在高溫結構材料、耐腐蝕等方面都有較大的發展潛力。在工藝品行業中，使用的是氮化鈦，主要是用來涂表殼。鋁是一種輕的銀白色基體，其重量輕，易于拋光，不易生銹，導電性好，塑性高，導熱性能好。梁寶巖[1]等利用2Ti/2Al/3TiN 粉末經反應熱壓燒結而成，利用XRD、FE-SEM 和 EDS 對樣品進行了分析。研究發現，在1 350 ℃下，保溫2 h，在30 MPa 的壓力下可以獲得組織細小、致密的Ti2AlN-TiN 復合材料。嚴明[2]等以Ti2AlN 為原料，將Ti2AlN 在原位熱壓和放電等離子燒結中制備出Ti2AlN/TiN。利用XRD 對燒結產品進行了成分分析，利用 SEM 和EDS 技術對其微觀組織進行了研究。柳三成[3]等使用熔鑄法來制備氮化鈦增強鋁基復合材料，采用SEM、 EDS 技術對其顯微組織及成分進行了研究。結果顯示，采用熔鑄工藝制備的 TiN 可以在鋁基體中均勻分布，并隨 TiN 含量的增大，使其從不規則的形態轉變為規整的長條，其硬度和機械性能隨TiN 含量的增大而逐步增大。由于其具有廣闊的應用前景，所以很多學者都在進行這方面的研究[4-14]。

本文以氮化鈦增強鋁基復合材料為研究對象，研究了 TiN 的含量變化對其顯微結構的影響，確定最優的配料方案。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與方法

本試驗中Al 粉和TiN 粉是主要的實驗原料，其相關信息如表1 所示。

表1 原料粉體的相關信息

表2 燒結參數

TiN/Al 基復合材料的制備可分為兩個步驟。

1）粉末混合。采用Al 粉作為原料，TiN 粉作為強化相。選取 ZrO2球作為磨球，按照原料、球的質量比為1∶7 添加磨球，最后將球和各種粉體原料放入塑料瓶中，在三維混料機上球磨混料14 h，轉速為40 r·min-1。混料完成后將粉體再篩分出來，裝入樣品瓶中以備燒結。

2）熱壓燒結。稱取一定質量原料粉末倒入石墨模具中，為了防止粘模，需在模具與粉末接觸處放入一定厚度的石墨紙。最后，將模具放置在真空鉬絲熱壓爐中，調整工藝參數后進行燒結。燒結參數的相關信息如表 2 所示。待燒結完成后，等待自然冷卻。

1.2 試驗表征

采用X 射線衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分別研究燒結試樣的相組成與含量、微觀結構和微區成分。所用X 射線衍射儀（UltimaⅣ，2036E102，日本）掃描速度8(°)·min-1，掃描范圍為10°～90°，加速電壓為40 kV，靶材為Cu 靶。掃描電鏡（Hitachi S-3400N， 日本）加速電壓為20 kV。能譜儀型號為Phoenix，EDAX，USA。采用數顯顯微硬度儀（MH-500，上海恒一精密儀器有限公司）測定試樣的顯微硬度。

2 實驗結果與分析

2.1 復合材料顯微組織觀察

純Al 以及質量分數為5%、10%、15%、20%的TiN/Al 基復合材料的光學金相顯微鏡下顯微組織圖如圖1 所示。

圖1 不同含量增強相下TiN/Al 基復合材料的500 倍金相圖

從圖中1 可以看出，純Al 的晶界比較清晰，組織分布也比較均勻，TiN 加入后，復合材料出現組織分布不均勻現象，并且在晶粒與晶界處出現黃色斑點，黃色斑點隨著TiN 含量的增加而增大。在晶界處，TiN 粒子的大小隨 TiN 的加入而增大，并且在 TiN 的加入下有聚集的趨勢。當加入的增強相TiN 的質量分數達到10%時，TiN 顆粒的團聚現象變得明顯，當質量分數達到20%時，團聚現象變得更加明顯，分布不是那么均勻，相較于其他含量，質量分數為5%的復合材料中的TiN 分布更為均勻，沒有團聚現象。為驗證黃色斑點為TiN，對加入不同TiN 含量的TiN/Al 基復合材料進行XRD 掃描分析，結果如圖2 所示。由圖2 可見，燒結產物中存在兩種晶相，純Al 為主晶相，同時含有一定的TiN為副峰，其衍射峰皆相對較強。由XRD 圖可分析出主峰為Al，副峰為TiN，36.9°、42.8°、62.2°、74.5°分別對應PDF#87-0630 中的（111）、（200）、（220）、（311）晶面，38.9°、45.2°、65.5°、78.6°、82.9°是Al 的特征峰所對應的衍射角，說明以Al 和TiN 為原料在上述燒結條件下可合成含一定雜質相的TiN/Al 基復合材料。

圖2 以Al/TiN 為原料燒結試樣的XRD 圖譜

2.2 硬度測試

將燒結后的試樣線切割，使尺寸適合超微載荷顯微硬度計。將試樣的表面用240～2 000 目的砂紙和金剛石磨盤打磨后拋光。超微載荷顯微硬度計的參數為室溫下施加載荷300 gf，保持時間為15 s。通過對樣品進行硬度測試，結果表明，由于樣品的表面形貌和顆粒尺寸存在差異，導致了各樣品在不同部位的硬度值差異很大，有些樣品的硬度高，有些則較低，所以取5 個點的平均硬度，試樣的維氏硬度隨增強相TiN 含量的變化曲線如圖3 所示。隨著增強相TiN 含量的提高，維氏硬度有所升高。根據XRD 的數據分析，在燒結溫度610 ℃下加入的TiN 的含量逐漸升高，故加熱溫度為610 ℃時TiN質量分數為20%的試件的硬度最高。

圖3 不同含量的增強相下的維氏硬度值

對不同質量分數的TiN/Al 基復合材料進行維氏硬度測試，得到結果與純鋁維氏硬度進行對比，如表3 所示。

表3 維氏硬度

由圖3 可以看出，TiN 的加入使復合材料硬度提高，均大于純鋁基體材料；隨著TiN 質量分數的增加，復合材料的維氏硬度一直上升，在10%～15%之間硬度提升速度比較快，在TiN 質量分數為20%時硬度達到最大，相較純鋁基體材料提高了39.2%。

TiN 提高了純鋁的硬度，這是由于TiN 本身具有高強度、高硬度的特點以及良好的力學性能；TiN能與基質發生相互作用，阻止在晶體邊界上的位錯移動，從而發揮增強的功能，隨著TiN 含量的增加，阻礙作用愈加明顯，從而使材料維氏硬度提高。

2.3 拉伸性能影響

通過對不同成分的材料在常溫下的拉伸試驗，得出了相應的應力-應變關系曲線，如圖4 所示。各質量分數氮化鈦增強鋁基復合材料的抗拉強度如表4 所示。從表4 中數據可以看出，純鋁基體材料抗拉強度小于各質量分數氮化鈦增強鋁基復合材料；質量分數為15%的氮化鈦增強鋁復合材料抗拉強度最大，從128.20 MPa 提高到158.20 MPa，提高了23.40%；質量分數為5%、10%、20%的氮化鈦增強復合材料抗拉強度相較純鋁基體材料分別提高了4.94%、7.68%、18.99%。這說明氮化鈦的加入提高了純鋁基體的抗拉強度，抗拉強度提高量隨著氮化鈦質量分數的增加先上升后下降。

圖4 復合材料拉伸實驗應力-應變曲線

表4 抗拉強度

拉伸變形-應變-硬度指數是反映金屬材料在一定程度上抵抗均勻塑性變形的一個指標。用霍洛蒙公式（1）求取應力強化指標n。

式中：S—真實應力；

ε—真實應變；

K—硬化系數；

n—應變硬化指數。

3 結 論

1）采用粉末冶金法，以Al/TiN 為原料可制備TiN/Al 基復合材料。

2）隨著TiN 的增多，增強相顆粒發生團聚現象，主要分布在基體的晶粒周圍。

3）與加入其他含量的增強相TiN 的復合材料相比，氮化鈦質量分數為20%時的TiN/Al 基復合材料的硬度較高，維氏硬度值為76.3 HV，相較于純鋁的維氏硬度提高了39.2%。

4）氮化鈦增強鋁基復合材料抗拉強度較基體材料均有提升，提升效果隨著氮化鈦質量分數的提高先增加后降低，在質量分數為15%時提升效果最明顯，抗拉強度比純鋁基體材料提高了23.40%；氮化鈦的加入提高了復合材料的應變硬化指數n。