碳納米管增強(qiáng)鈦鋁基復(fù)合材料的組織與性能_圖文

1、Vol.26No.3安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第26卷第3期July2009J.of Anhui University of Technology2009年7月文章編號:1671-7872(200903-0243-02碳納米管增強(qiáng)鈦鋁基復(fù)合材料的組織與性能郭文生,袁曉敏,陳燕(安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002摘要:采用激光熔鑄技術(shù)制備碳納米管增強(qiáng)鈦鋁合金復(fù)合材料,對鑄塊的組織、結(jié)構(gòu)及斷口形貌進(jìn)行分析。結(jié)果表明:鑄塊的基體主相為TiAl,Ti3Al合金,碳納米管細(xì)化了基體組織晶粒,適量的碳納米管提高了材料的硬度和韌性,w(CNTs=1.5%時(shí),復(fù)合材料顯微硬度(738HV與相同條件下

2、基體合金硬度(647HV相比提高了14%,材料斷口為韌性斷裂。關(guān)鍵詞:鈦鋁合金;碳納米管;復(fù)合材料;激光熔鑄中圖分類號:TB331文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A doi:10.3969/j.issn.1671-7872.2009.03.011Microstructure and Properties of Carbon Nanotubes Reinforced TiAl Alloys CompositeGUO Wen-sheng,YUAN Xiao-min,CHEN Yan(School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Tech

3、nology,Ma'anshan243002,ChinaAbstract:Prepared CNTs reinforced TiAl alloy composite by laser casting.The sample was characterized by scanning electron microscope(SEMand X-ray diffraction(XRD.The results showed that the main phase of the ingot is TiAl and Ti3Al alloy.A spot of CNTs remained on the

4、 fracture surface indicated it is ductile fracture. Besides,the microhardness was improved remarkably in comparison to TiAl matrix.Expecially,the microhardness was increased to738HV from647HV of TiAl matrix when w(CNTsis1.5%.Key words:TiAl alloy;carbon nanotubes;composites;laser casting碳納米管(CNTs具有強(qiáng)度

5、高、彈性模量大、高溫時(shí)穩(wěn)定、密度小等特點(diǎn)1,被認(rèn)為是理想的納米晶須增強(qiáng)增韌材料及纖維類強(qiáng)化相的終極形式2。目前,人們在聚合物、金屬和陶瓷等碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料方面做過很多嘗試,并取得了一些進(jìn)展。TiAl合金密度低、耐熱性好,具有高的比強(qiáng)度、比剛度等優(yōu)點(diǎn)3,但其室溫脆性以及中高溫強(qiáng)度不足,嚴(yán)重地阻礙了TiAl基合金的應(yīng)用4。利用激光快速熔凝的特點(diǎn),激光熔鑄Ti,Al,鋁硅粉及碳納米管混合粉,制備以力學(xué)性能優(yōu)異的TiAl合金為基的碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料。1試驗(yàn)材料與方法1.1試驗(yàn)材料純度為99%-75m的Ti粉;純度為99%-100m的Al粉;北京科學(xué)研究院生產(chǎn)的100m鋁硅粉(Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11

6、.4%,文中百分?jǐn)?shù)未標(biāo)注的均為質(zhì)量分?jǐn)?shù);中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司生產(chǎn)的多壁碳納米管,碳納米管規(guī)格參數(shù)為:管徑3050nm,管長50m,純度95%,灰份1.5%,視比容8.3mL/g,比表面積>60m2/g,電導(dǎo)率>102S/m。1.2試驗(yàn)方法將Ti,Al及鋁硅粉中的Si按原子比為51.5:48:0.5混合得到Ti-48Al-0.5Si混合粉末,將多壁CNTs提純除去其中的無定形碳,采用超聲波分散,分散液為丙酮,分散時(shí)間為30min。CNTs經(jīng)分散后與Ti-48Al-0.5Si 粉末混合。將混合粉末在星形球磨機(jī)中球磨16h,球磨在氬氣氣氛中進(jìn)行。圖1為1.5%CNTs的復(fù)合粉末

7、經(jīng)收稿日期:2008-02-18作者簡介:郭文生(1979-,男,陜西商洛人,碩士生。球磨16h后的形貌。由圖1可以看出:CNTs在球磨過程中團(tuán)聚傾向減小。在40MPa壓力下將球磨后的混合粉末壓成直徑為13mm的型坯,先采用真空燒結(jié)爐對試樣在550下燒結(jié)5h,燒結(jié)后復(fù)合材料鑄塊形貌如圖2。由圖2可以看到,CNTs與基體緊密結(jié)合,并均勻分散在基體中,未發(fā)生團(tuán)聚(CNTs如圖2中的a處。采用CO2激光器對燒結(jié)后的型坯進(jìn)行激光熔鑄試驗(yàn),熔鑄參數(shù):功率為800W,掃描速率24mm/min,熔鑄試驗(yàn)在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。將得到的試樣沿垂直于激光掃描方向制成斷口。用顯微硬度計(jì)測量不同CNTs含量的試樣硬度,并

8、求平均值。用金相顯微鏡觀察斷面組織變化,試樣腐蝕液采用2.5%HF+2.5%HNO3+95%H2O(體積分?jǐn)?shù)的混合溶液;用掃描電鏡觀察斷口形貌。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1CNTs對復(fù)合材料組織的影響圖3為含1.5%CNTs的CNTs/TiAl復(fù)合材料在800W功率下熔鑄后的XRD圖。由圖3可以看到,主相為TiAl,Ti3Al和少量的Ti5Si3,沒有出現(xiàn)含碳相的標(biāo)識峰,表明復(fù)合材料在800W功率下能夠熔合而不破壞CNTs。圖4為復(fù)合材料的顯微組織,由圖4(b可以看出,復(fù)合材料的組織為細(xì)小片層狀-TiAl和粒狀的2-Ti3Al構(gòu)成的雙相組織,與不加CNTs時(shí)相比,組織晶粒明顯細(xì)化。CNTs對晶粒的細(xì)

9、化作用主要是由于CNTs作為納米級增強(qiáng)相的引入,形成了大量的微觀界面,這些界面提供了較多優(yōu)先形核的位置,在材料凝固過程中,TiAl合金在這些界面區(qū)域非均質(zhì)形核,大大提高形核率;其次,CNTs相互連接阻礙初生相界面移動,延遲晶粒長大。2.2斷口分析圖5為復(fù)合材料的斷口形貌,由圖5(a可以看到,復(fù)合鑄塊斷口部分區(qū)域有韌窩,表現(xiàn)為韌性斷裂特征,表明材料具有較強(qiáng)的韌性。在復(fù)合材料斷裂過程中,斷口處CNTs由于承載了較大的載荷而發(fā)生斷裂,一部分從基體中拔出,另一部分殘留在基體當(dāng)中(如圖5(b中的A處,增加了拔出功,對材料韌性起到增強(qiáng)作用,這時(shí)CNTs的增韌機(jī)制主要以拔出機(jī)制為主。2.3CNTs含量對復(fù)合

10、材料硬度的影響CNTs含量對復(fù)合鑄塊硬度影響變化趨勢如圖6。由圖6可以看到:在CNTs加入量小于1.5%的范圍內(nèi),隨CNTs加入量的增加,復(fù)合材料硬度不斷升高;當(dāng)CNTs加入量達(dá)到1.5%時(shí),復(fù)合材料硬度達(dá)到最大值,為738HV,相對于基體硬度(647HV提高了14%,表明CNTs對復(fù)合材料硬度有顯著的增強(qiáng)作用;當(dāng)CNTs加入量超過1.5%時(shí),硬度開始呈現(xiàn)下降趨勢,這是因?yàn)镃NTs加入量過大時(shí),CNTs間相互纏結(jié)圖1Ti-48Al-0.5Si-1.5%CNTs混合粉末經(jīng)16h球磨后的形貌圖2Ti-48Al-0.5Si-1.5%CNTs經(jīng)5h燒結(jié)后的形貌圖4復(fù)合材料的金相組織(a不加CNTs(b

11、加1.5%CNTs20m20m(a低倍形貌(b高倍形貌圖5Ti-48Al-0.5Si-1.5%CNTs復(fù)合材料斷口形貌100m100m 圖6CNTs 對復(fù)合材料顯微硬度的影響趨勢圖7407006606400.0 1.0 2.0 2.5w(碳納米管/%平均顯微硬度(HV14001200800400-TiAl-Ti3Al-Ti5Si315304560752/(°圖3Ti-48Al-0.5Si-1.5%CNTs的XRD圖強(qiáng)度(CPS(下轉(zhuǎn)252頁8郭振,溫永紅,胡水平,等.針狀鐵素體鋼的組織類型及對性能的影響J.材料開發(fā)與應(yīng)用,2007,22(6:5-8.9李鶴林,郭生武,馮耀榮,等.高強(qiáng)

12、度微合金管線鋼顯微組織析與鑒別圖譜M.北京:石油工業(yè)出版社,2001.(責(zé)任編輯:何莉(上接244頁成渣,在材料微觀區(qū)域形成局部偏聚,隔絕了基體的連續(xù)性,導(dǎo)致復(fù)合材料硬度下降。3結(jié)論(1激光熔鑄制備碳納米管增強(qiáng)鈦鋁基復(fù)合材料時(shí),鑄塊的基體主相為TiAl,Ti3Al和少量的Ti5Si3,當(dāng)激光功率為800W時(shí),CNTs/TiAl基復(fù)合材料能夠熔合而不破壞碳納米管。CNTs細(xì)化了復(fù)合材料組織晶粒, CNTs含量越高,組織晶粒越細(xì)小。(2復(fù)合材料鑄塊斷口形貌分析表明:適當(dāng)?shù)腃NTs含量對材料韌性起到增強(qiáng)作用,當(dāng)CNTs加入量為1.5%時(shí),部分區(qū)域斷口表現(xiàn)為韌性斷裂特征,并有少量的碳納米管存在,CNTs增強(qiáng)機(jī)制主要為拔出增強(qiáng)。(3CNTs加入量對復(fù)合材料硬度有明顯的影響;在CNTs加入量小于1.5%的范圍內(nèi),隨CNTs加入量的增加,材料顯微硬度不斷升高,在CNTs加入量為1.5%時(shí),硬度達(dá)到最大值,為738HV,相對于基體顯微硬度(647HV提高了14%;當(dāng)CNTs超過1.5%時(shí),顯微硬度隨CNTs含量增加而減小。參考文獻(xiàn):1Zhan Guo-Dong,Joshuad Kuntz,Wan Julin,et al.Single-wall carbon nanotubes as attractive toughening agents in alumina-basednanocompo