POWDERMETALLURGYINDUSTRY2008年6月June2008金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合
材料的研究进展
何柏林,熊光耀,缪燕平
(华东交通大学机电工程学院,江西 南昌 330013)
摘 要:Al2O3陶瓷的脆性本质极大的限制了其使用范围。在提高氧化铝陶瓷韧性的研究中,
利用金属间化合物作为第二相来增韧氧化铝陶瓷已成为研究热点之一。本文从金属间化合物的基本性质出发,综述了金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料的最新进展,在此基础上总结了增韧机理,并提出了今后的发展方向。
关键词:金属间化合物;Al2O3陶瓷;复合材料;增韧机理中图分类号:G63318;TF12514 文献标识码:A文章编号:1006-6543(2008)03-0031-05PROGRESSININTERMETALLICS/Al2O3CERAMICSBASEDCOMPOSITES
HEBo2lin,XIONGGuang2yao,MIAOYan2ping
(SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang 330013,China)
Abstract:Thebrittlenessofaluminaceramicmateriallimitstheapplicationofthematerialre2markably1UsingintermetallicsasthesecondaryphaseisoneofthehottopicsinthefieldoftougheningAl2O3ceramics1ProgressinIntermetallics/Al2O3ceramicsbasedcompositesisre2viewed1Tougheningmechanismsaresummarized,andthedevelopmenttendencyisalsopres2ented1
Keywords:intermetallics;Al2O3Ceramics;Composites;tougheningmechanism
氧化铝陶瓷具有耐高温、高耐磨、耐腐蚀、抗氧
化等一系列的优异性能,目前已广泛用于许多高新技术领域,但是其陶瓷材料的脆性本质在很大程度上限制了它的发展和应用。因此,改善氧化铝陶瓷的韧性成为其得到进一步应用的核心问题。近年来,在提高氧化铝陶瓷韧性的研究中,利用金属间化合物作为第二相来增韧氧化铝陶瓷已成为研究热点之一,并取得了重要的研究成果。本文从金属间化合物的基本性质出发,综述了金属间化合物氧化铝陶瓷基复合材料的最新进展,并提出了今后的发展方向。
1 铝系金属间化合物/Al2O3陶瓷基
复合材料
铝系金属间化合物具有优异的耐高温、抗氧化、耐磨损等优良的特性,并且与Al2O3陶瓷具有良好的物理、化学相容性及润湿性,因此可以作为很好的陶瓷材料的增韧相。
111 Ni2Al系金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材
料
Ni2Al系金属间化合物主要有5种稳定的二元
化合物,即Ni3Al、NiAl、Ni5Al3、Ni2Al3和NiAl3[1]。目前,Ni2Al系金属间化合物中研究最多
收稿日期:2007-10-17
基金项目:江西省自然科学基金资助项目(550015)
作者简介:何柏林(1962-),男(汉),河南安阳人,教授,硕士生导师,研究方向:结构可靠性,表面强化,复合材料的研究。
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的是Ni3Al。Ni3Al晶体特有的对称性和Ni-Al键
与Ni-Ni键的相似性使得键在空间呈均匀分布,这种特点使Ni3Al表现为具有良好的强度,也正是因为Ni-Ni键与Ni-Al键的相似性,在外力作用下原子层发生滑移而保持良好的强度和成键持续性,使Ni3Al具有良好的韧性[2]。因此,Ni3Al在陶瓷中可以起到很好的增韧效果。
在Ni3Al增韧Al2O3陶瓷基复合材料的研究中,沈建兴等[2]通过热压烧结得到了高韧性的Ni3Al/Al2O3陶瓷基复合材料。结果表明:以Al2O3和Ni3Al为原料经1350℃热压烧结1h制得Al2O3-10%(体积分数)Ni3Al复合材料,其断裂韧度在室温下和1000℃时分别为619MPa・m/1/2和510MPa・m1/2,而纯Al2O3陶瓷在室温下和1000℃时分别为315MPa・m1/2和216MPa・m1/2,
料。研究认为,随着合成产物中Al2O3含量的增
加,燃烧温度会提高,燃烧速度会加快,材料的致密度能得到改善。SHS工艺不但可以原位合成基体和增强相,避免了常规方法中的界面污染,而且制得的金属间化合物/陶瓷复合材料韧性较好,并有希望通过工艺的控制制备高性能的梯度功能材料。Horvitz等[6]以TiO2和Al粉为原料,利用SHS/QP技术原位合成制备了Al2O32TiAl/Ti3Al复合材料,并分析了燃烧模式、温度、压力等合成条件对材料结构和性能的影响。
113 Fe2Al系金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材
料
铁铝系金属间化合物(Fe2Al、Fe3Al)其以耐热、耐磨、抗高温氧化、高温强硬性好以及反常热强性、低密度和低成本等一系列优点,具有成为新一代结构材料的良好发展前景[1]。Fe2Al系金属间化合物与Al2O3具有较好的适配性能,其复合材料界面不产生化学反应,没有界面相生成,具有较好的界面结合和一定的润湿性。在金属间化合物/陶瓷复合材料的制备中,应用最多的是机械合金化法。尹衍升等[7]利用机械合金化和煅烧相结合的工艺方法成功地制备了Fe3Al/Al2O3陶瓷基复合材料,其抗弯强度达680MPa,洛氏硬度HRA达到92,断裂韧度
1/2[8]
KIC达到814MPa・m。张玉军等以FeAl和Al2O3为原料经球磨混匀在氢气气氛下于1350～1500℃保温015h热压烧结制得FeAl/Al2O3陶瓷
因此复合材料的断裂韧性比纯Al2O3陶瓷要好。分析认为,Ni3Al中Ni-Ni键与Ni-Al键的相似性和均匀性以及Ni3Al的合金化、晶粒的拔出现象和裂纹的偏转效应是Ni2Al/Al2O3陶瓷基复合材料韧性提高的重要原因。
申玉芳等[3]以NiAl为弥散相在1600℃下真空烧结制备的NiAl/Al2O3复相陶瓷材料,当NiAl含量约为20%时,其断裂韧度为812MPa・m1/2,比纯Al2O3陶瓷(KIC=4184MPa・m1/2)的断裂韧度提高了68%。显微结构分析表明,晶粒细化、裂纹偏转、裂纹搭桥、拔出和裂纹扩展方式的改变是NiAl/Al2O3复相陶瓷材料韧提高的主要因素。
在应用方面,由于NiAl与Al2O3有较好的适配性能,因此是金属基体与Al2O3涂层的理想材料。冯拉俊等[4]利用等离子喷涂方法制备了NiAl2Al2O3梯度涂层。当Al2O3的质量分数为80%时涂层的显微硬度最高,涂层成分的梯度化有利于涂层的结合强度和抗热震性能的提高。
112 Ti2Al系金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料
Ti2Al系金属间化合物主要有3种:Ti3Al,TiAl及TiAl3。Ti2Al系金属间化合物具有高的比强度和比模量、良好的抗蠕变和抗氧化能力,特别是具有与其他金属合金所不同的高温力学性能。在一
)其强度随温度升高而定的温度范围内(600～800℃
增大[1]。
李志强等[5]利用Al2Ti2TiO2体系,采用自蔓延高温合成技术(SHS)制备了Ti2Al/Al2O3复合材
复合材料。FeAl/Al2O3陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性随FeAl含量的增加而增大,当FeAl含量达到40%(体积分数)时,抗弯强度达到694MPa,断裂韧度为8165MPa・m1/2。研究认为,复合材料中存在长颗粒的拔出效应以及FeAl和Al2O3颗粒生长的相互制约形成的细晶结构是复合材料韧性和强度提高的原因。VictorE1Saouma等[9]制备了Mo/Al2O3和FeAl/Al2O3陶瓷基复合材料,并对其残余热应力进行了数值模拟研究,通过压力荧光光谱法测定了材料热膨胀引起的残余应力的分布,建立了两相陶瓷的有限单元体模式,给出了内应力随着第二相体积分数的增加而变化的规律。
在金属间化合物/陶瓷复合材料的强韧化研究中,孙康宁等[10]在FeAl/Al2O3复合材料中发现了内晶型纳米颗粒,纳米颗粒是由机械合金化过程和煅烧过程引入,烧结致密化和弥散析出是形成内晶型纳米颗粒的主要原因,纳米内晶型颗粒对复合材
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第3期 何柏林等:金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料的研究进展
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料的强韧化有重要贡献。为了进一步提高材料的力学性能,拓宽材料的应用范围,李传校等[11]在FeAl/Al2O3复合材料基体中加入TiC2WC固溶体,当TiC2WC固溶体的含量为5%时,可同时提高材料的断裂韧性和抗弯强度。接。研究表明,Ni2Ti焊料会在焊缝中间形成一条Ti固熔体带,起到柔性缓冲层的作用;连接强度随着保温时间的延长逐渐提高,到达一定程度后减缓;连接强度并不随着焊接温度的上升而单调上升,接头性能随温度的上升波动较大,焊接适用温度范围比较窄。
2 Si2Mo及其他金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料
211 Si2Mo金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料
Si2Mo金属间化合物包括MoSi2、Mo5Si3和Mo3Si。由于Si2Mo金属间化合物在BDT温度(脆
3 增韧机理
金属间化合物中各组元呈长程有序排列,原子间结合力强,除金属键外,还有部分共价键,因而其
具有较好的化学和热力学稳定性、极好的高温抗氧化性、较小的密度,并且在高温下仍然保持较高的力学性能,特别是高温韧性[1,17,19,20]。从以上总结中我们可以得到,将金属间化合物作为第二相加入到陶瓷基体中可以提高材料的断裂韧性,其增韧机理包括以下几个方面。
目前,已经报道的金属间化合物增韧陶瓷的机理大致有以下四种:拔出增韧、弥散增韧、裂纹偏转增韧和颗粒增韧。铝系金属间化合物增韧氧化铝陶瓷的机理大致相同,下面以Ni2Al系金属间化合物为例来说明其增韧机理。311 拔出增韧
以金属间化合物Ni3Al细颗粒和Al2O3粉末为原料经热压烧结制得的Al2O3基复合材料,Ni3Al颗粒分布在Al2O3基体中并发生颗粒拔出现象,从而可以起到拔出增韧的效果。
性转化为韧性的温度)以上是一种韧性相,它们可以对脆性陶瓷产生韧化作用[12]。MoSi2在几乎所有的结构陶瓷中(如:SiC、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiB2、TiC等)是热力学稳定的,同时Al2O3与MoSi2的热膨胀系数十分相近,在MoSi2增强Al2O3基复合材料中,不会产生热应力裂纹[13]。作为其极为重要的应用方面,Anne2LaureDumont等人[14]结合流延积层,利用SHS烧结工艺成功地制备了MoSi2/Al2O3功能梯度电阻材料。当MoSi2的含量从20%增加到40%(体积分数)时,材料的室温电阻率也从115×108Ω・cm减小到013Ω・cm。并指出,在SHS过程中当各层的厚度大于500μm、加压3MPa时,就可以明显地减少材料的孔隙率,通过控
制在SHS反应中形成的液相数量(反应生成物Al2O3和MoSi2均有稀释燃烧反应的作用)来实现层状结构,当每层中液相的数量大于35%(体积分数)时,就可以制备出铝含量从21%到81%(体积分数)的梯度复合材料。
212 其他金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料
为了解决一些实际的应用问题,许多学者在其他金属间化合物Al2O3陶瓷复合材料方面也做了一些研究。程广萍等[15]采用自蔓延2离心工艺制备出Fe2Ti金属间化合物/Al2O3陶瓷内衬复合钢管。对内衬的显微组织及物相组成进行了分析。结果表明,内衬主要由大小不均的颗粒状或团聚状金属间化合物Fe2Ti、规则块状Al2O3陶瓷以及一定数量的自蔓延反应不完全产物Ti3O5构成。衬层内壁有一以Al2O3、FeO・Al2O3为主的陶瓷薄层。与相同工艺制备的Al2O3陶瓷内衬相比,它在保持较高硬度的同时具备了一定的韧性。张春光等[16]通过金属间化合物Ni2Ti焊料,利用部分液相瞬间连接工艺,实现了高纯Al2O3陶瓷和可伐合金的气密性连
图1 1000℃时Ni3Al从断裂面的拔出现象
从文献[2]中可以得到:Al2O3210%(体积分数)
Ni3Al复合材料在1000℃时的断裂面示于图1,图中颜色较浅处为拔断的Ni3Al颗粒,颜色较暗处为Ni3Al拔出后留下的洞,很明显,在Ni3Al颗粒从Al2O3基体中拔出的过程中,由于两相界面之间的
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粉末冶金工业 第18卷
摩擦,颗粒拔出时要消耗裂纹扩展的能量使材料断
裂能量提高,从而提高了材料的断裂韧性。这种拔出现象会随着温度的升高变得更加明显。312 弥散增韧
文献[9]以NiAl为弥散相,在真空炉中于1600℃下烧成得到了氧化铝复相陶瓷,其断口和抛光表面的图片示于图2。其中图2(a)所示为在氧化
粒增韧的效果。图2(b)所示为,当基本中有预制裂纹时,在复相陶瓷中,裂纹遇到白色金属间化合物相时会发生偏析,并且在相处形成搭桥。另外,从图中还可以看出,复相陶瓷中存在金属间化合物拔出的情形。所以金属间化合物NiAl相的加入细化了晶粒,并与基体发生桥联,在裂纹尖端形成了搭桥,吸收能量,钝化裂纹。同时金属间化合物相的拔出断裂亦消耗较大能量,从而提高了复相陶恣的断裂韧性,起到增韧的效果。
铝基体中没有预制裂纹时,白色金属间化合物相NiAl均匀地分布在复相陶瓷中,对陶瓷可以起到颗
图2 Al2O3-20%(体积分数)NiAl试样抛光面的SEM照片
(a)不含裂纹;(b)含有裂纹
313 裂纹偏转和弯曲增韧
文献[2]显示,Al2O3-10%(体积分数)Ni3Al复合材料中的断裂主要是沿晶断裂,Ni3Al颗粒的
存在使裂纹发生偏转,如图3(a)。图3(a)所示材料的室温断裂韧度值为7MPa・m1/2。复合材料中裂纹在扩展过程中碰到紧邻的长条状Ni3Al颗粒后发生明显的偏转从而减小了裂纹扩展的驱动力,提高了复合材料的韧性。而图3(b)所示材料的断裂韧度值仅为3MPa・m1/2,对Al2O3陶瓷基本起不到增韧的效果。这是因为球状的Ni3Al对促使裂纹偏
转的作用很小。由此可见第二相对裂纹偏转的影响程度取决于其颗粒形状。颗粒的长径比越大,对裂纹偏转的作用越明显,阻止其扩展的能量越大,直到阻止其继续扩展。因此,为了大大地提高复合材料的断裂韧性,应该合理地选择第二相颗粒的长径比。
另外,在图中还可以明显的看出裂纹的弯曲,当裂纹经过颗粒时,其尖端在颗粒处发生弯曲形状改变,裂纹长度的增加和新裂纹表面的形成都会消耗能量,从而达到提高复合材料韧性的效果。
图3 Ni3Al颗粒对裂纹偏转的作用
(a)长条状Ni3Al颗粒;(b)球状Ni3Al颗粒
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第3期 何柏林等:金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料的研究进展
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在现有的研究结果中可以明显看出,以上几种增韧机理往往不是单独起作用的,而是彼此相互作用的结果。
(4):374-377.
[8] 张玉军,尹衍升,王德云,等.FeAl/Al2O3陶瓷基复合
4 展 望
金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料因其成本相对较低、制备工艺简单、优异的力学性能以及广
阔的应用前景,成为复合材料研究的热点。近年来,金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料的制备和研究也取得了较大进展,但还有待于进一步完善,材料优化,提高复合材料的韧性、弹性模量以及硬度等性能,改进制备工艺技术,促进大规模生产和拓展应用领域,将成为该复合材料的发展趋势。此外,随着纳米技术的发展,将纳米技术进一步引入先进的高温材料的研究中,先进的高温材料经过纳米材料复合后,其强度和韧性将会得到显著改进,其高温力学性能尤其明显。因此,制备纳米强韧化金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料是未来发展的另一个方向。参考文献
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