热压烧结Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷材料的显微结构与力学性能

兰慧鑫，李喜坤

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

热压烧结Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷材料的显微结构与力学性能

兰慧鑫，李喜坤

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

采用热压烧结方法制备Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3复合陶瓷材料，并用扫描电子显微镜观察分析材料的微观结构。通过调整热压烧结工艺，研究烧结温度和保温时间对Al2O3/ Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3材料的显微组织与力学性能的影响。研究发现：烧结温度能显著影响陶瓷材料的显微组织和力学性能，温度在低于1650℃范围内，材料的致密度随温度升高而提高，力学性能也随之提升；但烧结温度超过1650℃时，晶粒异常长大，材料性能降低。热压烧结的保温时间以15min为宜。在烧结温度为1650℃、保温时间15min下，热压烧结Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷复合材料的力学性能良好，抗弯强度、维氏硬度、断裂韧度分别为735MPa、20.45GPa、8.9MPa·m1/2。

Al2O3；Ti(C，N)；热压烧结；微观结构；力学性能

Al2O3基复合陶瓷是一种耐高温、耐腐蚀、耐磨损、化学性能稳定的优良材料，因而吸引着众多材料科学研究者对其展开广泛的研究[1]。经过多年的探索，在氧化铝基体中加入弥散相Ti(C，N)颗粒制备而成的Al2O3/ Ti(C，N)系复合陶瓷材料兼具Al2O3的优点和碳氮化钛高熔点、高硬度的特点，已长期在切削刀具领域获得应用[2-4]。但作为陶瓷材料固有的脆性影响了其发展前景。常用的改善脆性的方法主要有相变增韧、纤维或晶须增韧、颗粒增韧和复合增韧[5]，其中颗粒增韧方法简单，能同时提高材料的强度和韧性，研究者居多。目前，在陶瓷基体中添加金属延性粒子以增强增韧陶瓷复合材料是一种有效的途径，如Al2O3-Ni[6]、(Ti,W)(C,N)-Co[7]，因而越来越受到重视。近年来，将金属颗粒加入Al2O3/ Ti(C，N)的研究也多有报道。费玉环等[8]用热压烧结法制备了Al2O3-TiN-TiC复合陶瓷材料，发现添加3vol%的 Mo时，材料的综合力学性能最佳，抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为 877MPa、6.32MPa·m1 /2和19.87GPa。李乾等[9]研究了Ni和Ti的含量对Al2O3-Ti(C，N)复合材料性能的影响，结果表明Ni和Ti在烧结时能形成液相促进材料的致密度，强化断裂韧性，在Ni和Ti的添加量为5vol%时，材料的力学性能最好。

Al2O3/ Ti(C，N)系陶瓷复合材料多采用热压烧结的方式制得，为获得性能良好的材料，热压烧结工艺的优化选择是重要影响因素。本文在Al2O3/Ti(C，N)中同时添加两种金属Cr、Nb，讨论热压烧结温度和保温时间对复合材料的显微结构与力学性能的影响，制备出性能较好的Al2O3/ Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3复合陶瓷材料。

1 实验材料及方法

以Al2O3和Ti(C，N)为主要成分，添加金属 Cr、Nb作为粘结相，另加入体积比0.5%的稀土氧化物Y2O3为烧结助剂。采用的α-Al2O3和碳氮化钛(TiC0.7N0.3)的平均粒径分别为0.5μm、1μm，纯度均高于99.5%，高纯 Nb、Cr金属粉和高纯Y2O3粉体的粒径均为1μm。先将Nb粉和Cr粉按原子比1：1配料后加入45mL无水乙醇和ZrO2陶瓷球，球磨混合48h配成金属混合粉体(Nb+Cr)，再将Al2O3、Ti(C，N)、(Nb+Cr)、Y2O3粉体按体积比分别为59.5%、30%、10%、0.5%配料装入球磨桶中混料48h，混合好的料浆放入真空干燥箱干燥。将干透的粉料用100目分样筛过筛后放入石墨模具中，按表1的热压烧结参数制备复合材料试样。

表1 热压烧结参数

热压得到的试样经切割、粗磨、精磨、抛光后制成4mm×3mm×36mm的标准试样，用阿基米德排水法测定相对密度，用三点弯曲法进行抗弯强度测试，跨距为20mm，加载速率为0.5mm/min。用压痕法测量材料的维氏硬度和断裂韧性，载荷为196N，保压时间15s。用扫描电子显微镜(SEM) 观察试样断面的微观组织。

2 结果与讨论

2.1 Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3显微组织

图1是经1650℃、保温25min热压烧结后试样的表面SEM图。由图1可知，试样表面存在着黑色区域、灰色区域和白色区域。在电镜中的黑色区域主要是Al2O3，灰色区域成分为Ti(C，N)，白色区域是金属相Cr和Nb。可以看到，Ti(C，N)和金属成分弥散分布在Al2O3基体上，微观形貌比较均匀，孔隙较小，个别Ti(C，N)颗粒较大，有的大于5μm，而金属在一些区域发生了聚集呈亮白色。

2.2 热压烧结温度对Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3显微组织与力学性能的影响

图2是复合粉体在保温时间15min、压力25MPa的条件下，分别在1550℃、1600℃、1650℃和1700℃的不同温度烧结后的试样断口SEM图像。

图1 1650℃、保温25min的表面SEM图

图2 不同烧结温度热压后的断口SEM图

从图2a～图2d可以看出，烧结温度越高，最终材料的晶粒尺寸也越大。1550℃烧结后(图2a)，在断面中能观察到大量未封闭的气孔，结构不紧密，材料的相对密度仅为97.4%，可推断其力学性能较低。图2b的断口组织与图2a相比较为致密，晶粒明显发育长大，但仍能看到少量气孔存在且孔隙较大，表明1600℃烧结仍不能使材料的密度接近理论密度。同时由图2a和图2b可知，在1550℃和1600℃下，材料的断口形貌呈现出沿晶断裂的痕迹，材料的断裂韧性不会太高。图2c中1650℃烧结后材料的断口结构非常致密，相对密度达到99.7%，可以发现断面中的晶粒拔出和穿晶断裂形貌，此温度下材料存在沿晶和穿晶两种断裂形式。当烧结温度达1700℃时(图2d)，断面中晶粒尺寸明显变大，有的甚至超过6μm，组织分布也极不均匀，说明在1700℃下烧结，晶粒会过分长大，材料的力学性能反而会降低。

烧结温度对材料力学性能的影响如图3所示。

图3 烧结温度对力学性能的影响

由图3可知，温度对力学性能的影响很大。从图3a可以看出，材料的抗弯强度在1550℃时最低，为548MPa；1600℃快速提升到674 MPa，这与此温度下材料的致密化程度加快、结构趋于致密一致；在1650℃时，抗弯强度最高达735 MPa，之后呈现下降趋势，表明烧结温度升高，晶粒异常长大对材料的抗弯强度不利。图3b中维氏硬度的变化情况与图3a的曲线变化大致相当。随烧结温度的升高，维氏硬度先升高后降低，1650℃烧结后的试样硬度最大，其值为20.45GPa。材料的断裂韧度(图3c)在1550℃～1600℃范围内的变化相对缓慢，仅提高了8.6%，断裂模式以沿晶断裂为主，而断裂韧度在1650℃又达最高值8.9MPa·m1/2，这种现象主要是因为材料在烧结温度1650℃时发生穿晶断裂，需要消耗更多的断裂能，因而对韧性有显著的提升效果。但当烧结温度为1700℃，由于硬质相晶粒异常长大，将金属颗粒挤到了大晶粒的边缘，削弱了金属颗粒对硬质相的钉扎和强化作用，材料的韧性开始降低。

2.3 保温时间对Al2O3/Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3显微组织与力学性能的影响

图4是复合粉体在烧结温度1650℃、压力25MPa下，分别经5min、25min、35min的保温时间热压烧结后试样的断口SEM形貌。

由图4a可以看出，热压5min的试样其断面组织结构相对疏松，由于复杂的物理化学变化尚未反应完全，仍有少量气孔没有完全闭合，与图2c相比较晶粒尺寸相差不大，但试样相对密度为99.3%，此时材料主要发生沿晶断裂，脆性较大，这表明5min的保温时间太短，试样的力学性能偏低。当保温时间延长到25min(图4b)，对比图2c可知，各相分布不均匀，断面呈现出较多2μm以上的大颗粒。继续增加保温时间(图4c)，可观察到更多异常长大的晶粒，最大的已超过7μm，整个断面变得杂乱不规则，虽然仍能看到穿晶断裂形貌，但是此时的微观结构必将严重影响材料的整体性能。

图5为烧结温度1650℃、压力25MPa下保温时间对材料力学性能的影响。

图4 不同保温时间热压后的断口SEM图

图5 保温时间对力学性能的影响

从图5可以看出，力学性能随保温时间的变化趋势普遍呈先升高后降低的曲线。在保温时间5～15min的范围内，材料的致密性随时间延长逐渐提高，各相均匀分布，力学性能整体得到显著提升，在保温15min后，材料的抗弯强度、维氏硬度、断裂韧度分别高达735 MPa、20.45GPa、8.9MPa·m1/2。之后将保温时间增加到25min，发现各项力学性能有不同程度的下降，抗弯强度、维氏硬度、断裂韧度分别降低了5.6%、4.8%和3.37%，进一步延长保温时间至35min，因Al2O3和Ti(C，N)晶粒的粗化长大，金属粒子聚集在大晶粒边缘，除维氏硬度小幅度下降外，抗弯强度和断裂韧度都快速降低，说明保温时间越长，材料力学性能越差，15min的保温时间较为适宜。

3 结论

(1)通过热压烧结方法制备了Al2O3/ Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷复合材料，烧结温度对材料的力学性能影响很大。在温度低于1650℃，材料的致密程度随温度升高而提高，各项力学性能也随之提升，但烧结温度为1700℃时，晶粒异常长大，材料性能降低。

(2)热压烧结需要适当的保温时间。保温时间太短，材料组分来不及充分反应，力学性能较低，时间太长，晶粒发生长大，同样对材料性能不利。

(3)热压烧结Al2O3/ Ti(C，N)-Nb-Cr-Y2O3陶瓷复合材料的最佳烧结温度为1650℃，适宜的保温时间为15min，此时材料的力学性能良好，抗弯强度、维氏硬度、断裂韧度分别为735 MPa、20.45GPa、8.9MPa·m1/2。

[1]范景莲,徐浩翔,黄伯云,等.金属-Al2O3陶瓷基复合材料的研究与发展前景[J].粉末冶金工业,2003,13(3):1-5.

[2]Billman E R,Mehrotra P K,Shuster A F.Machining with Al2O3-TiCN whisker cutting tools[J].American Ceramic Society Bulletin,1988,67(6):1016-1019.

[3]宋世学,艾兴,赵军,等.Al2O3-TiCN基金属陶瓷刀具材料的抗热震性及断裂机理研究[J].济南大学学报(自然科学版),2003,17(2):44-47.

[4]Ersan Aslan,Necip Camuscu,Burak Birgoren.Design optimization of cutting parameters when turning hardened AISI 4140 steel (63HRC) with Al2O3+TiCN mixed ceramic tool[J].Materials & Design,2007,28(5):1618-1622.

[5]陈维平,韩孟岩,杨少锋.Al2O3陶瓷复合材料的研究进展[J].材料工程,2011,(3):91-96.

[6]Wei Y,Hutchinson J W.Toughness of Ni/Al2O3interfaces as dependent on micron-scale plasticity and atomistic-scale separation[J].Multi-scale Plasticity Cryst Mater,2008,88(30):3841-3859.

[7]Li Y,Liu N,Zhang X B,et a1.Effect of carbon content on the microstructure and mechanical properties of ultra-fine grade (Ti,W)(C,N)-Co cermets[J].J Mater Process Techn,2008,206(1-3):365-373.

[8]费玉环,黄传真,刘含莲,等.Mo对Al2O3-TiN-TiC陶瓷材料微观组织及性能的影响[J].组合机床与自动化加工技术,2012,(8):23-27.

[9]李乾,孙旭东,修稚萌.Ni和Ti的添加对Al2O3-Ti(C,N)复合材料性能的影响[J].无机材料学报,2011,26(9):955-960.

(责任编辑：马金发)

Microstructures and Properties of Al2O3/Ti (C,N)-Nb-Cr-Y2O3Composite Ceramic Materials by Hot Pressing

LAN Huixin,LI Xikun

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Al2O3/Ti (C,N)-Nb-Cr-Y2O3composite ceramic materials were fabricated by hot-pressing method.,and the microstructures of the materials were analyzed by scanning electron microscopy.By adjusting the hot pressing process,the effects of sintering temperature and holding time on the microstructures and mechanical properties of Al2O3/Ti (C,N)-Nb-Cr-Y2O3composite ceramic materials were investigated.The results indicate that the sintering temperature can significantly affect the microstructure and mechanical properties of ceramic materials.In the temperature range of lower than 1650℃,the densities of the materials increase with increasing hot pressing temperature,and the mechanical properties are also improving.When the hot sintering temperature is above 1650℃,the increase of temperature will lead to the overgrowth of grains and the decrease of mechanical properties.Appropriate holding time is 15min.The Al2O3/Ti(C,N)-Nb-Cr-Y2O3ceramic composite hot-pressed at 1650℃ for 15min achieves better mechanical properties,the bending strength is 735MPa,the Vicker’s hardness is 20.45GPa,the fracture toughness is 8.9MPa·m1 / 2.

Al2O3;Ti(C，N);hot pressing;microstructure;mechanical property

2014-09-19

国家自然科学基金资助项目(51274143);沈阳理工大学重大学科建设基金资助项目(lg1205)

兰慧鑫(1987—),男,硕士研究生;李喜坤(1971—),男,副教授,博士,研究方向:高技术陶瓷结构与性能.

1003-1251(2015)05-0001-06

TQ174

A