Co，Ni，Ti增韧氧化铝/碳化硅刀具复合材料的制备及性能评价

2022-10-13廖婷婷李萌崛陈德平江万勇陈嘉鑫

工具技术 2022年8期

廖婷婷，李萌崛，陈德平，江万勇，陈嘉鑫

成都工业学院材料与环境工程学院

1 引言

Al2O3基陶瓷刀具是目前常用的陶瓷刀具之一，具有较高的机械强度和抗氧化性能，但较大的脆性和较低的韧性限制了陶瓷材料的生产与应用[1，2]，而氧化铝/碳化硅复合材料的补强作用能够改善其韧性。在此基础上，有学者发现添加Co，Ni，Ti等元素能够进一步提高氧化铝/碳化硅复合材料的强度和韧性，并且在抗弯强度和抗疲劳强度方面得到进一步提升[3]。

钴常作为补强型元素用于陶瓷材料中。李燕[4]采用TiN和TiC等陶瓷粉体原材料，以金属Co作为黏结剂，制备了Ti(C，N)-Co金属陶瓷材料。马来鹏[5]采用包覆不同Co含量的Al2O3和TiC混合粉体在1500℃～1700℃条件下进行热压烧结，新制得复合材料的断裂韧性和断裂强度与原复合材料相比分别提高了59%和40%。

在Al2O3/SiC复合陶瓷材料中加入金属元素Ni属于颗粒弥散增韧方式。许崇海等[6]发明了一种添加镍包覆六方氮化硼纳米片复合粉体的自润滑陶瓷刀具材料，该自润滑陶瓷刀具材料在烧结过程中会产生液相，提高了自润滑陶瓷材料的烧结致密度，还能对自润滑陶瓷刀具材料增韧补强，同时兼顾自润滑陶瓷刀具材料的力学性能和切削性能。

相关研究表明，当金属颗粒Ti作为第二相添加到陶瓷基体内时，不仅可以改善陶瓷的烧结性能，还能通过多种增韧方式阻碍裂纹的扩展速度(如裂纹的钝化、桥连、偏转和钉扎等)，从而提高强度[7]。孙兰等[8]在冷压成型后烧结制备了Ti(C，N)基金属陶瓷，烧结温度1300℃，烧结压力60MPa，得到性能优异的添加石墨烯的Ti(C，N)基金属陶瓷，且便于大规模工业化应用和生产。

本文主要探讨向氧化铝/碳化硅复合材料中分别添加Co，Ni，Ti三种元素的材料力学性能变化规律，并挑选出最适合的增韧元素。

2 试验材料与方法

2.1 样品制备

研究选用高纯氧化铝粉末(纯度99.999%，粒径65μm，益嘉金属粉末)、加入质量分数为5%的高纯碳化硅粉末(纯度99.99%，粒径65μm，益嘉金属粉末)作为基体材料，并分别加入钴粉末(纯度99.99%，粒径65μm，益嘉金属粉末)、镍粉末(纯度99.99%，粒径65μm，益嘉金属粉末)和钛粉末(纯度99.99%，粒径65μm，益嘉金属粉末)制备复合材料样品，每种金属元素的质量分数均设置为10%。制备过程主要采用行星式球磨(转速250r/min，时间5h)，将粉体混合均匀后进行真空热压烧结(1400℃，20MPa，保温30min)，分别制备得到掺Co，Ni，Ti的氧化铝/碳化硅复合材料。

2.2 材料性能测试

采用TD-3500 X射线衍射仪对制得的复合材料进行物相分析，扫描速度为6°/min，扫描范围为30°～130°，步宽角度为0.04°，采样时间为0.4s。

通过Archimedes排水法，采用DH-300直读式电子比重计测量陶瓷材料密度，并结合理论密度计算其相对密度 (致密度)，其计算公式为

ρ=ρ实/ρ理

使用HXD-100TM/LCD维氏显微硬度计测量维氏硬度。通过三点弯曲法以及WDW-2.0万能试验机测试抗弯强度，试样尺寸为30mm×4mm×3mm，设定试验机的横梁速率为5mm/min，弯曲强度的计算公式为

σ=3FL/2bd2

式中，L为夹具的下跨距；b为试样的宽度，b=4mm；d为试样的高度，d=3mm。

采用ZEISS Gemini 300扫描电子显微镜对弯曲试样的断口截面进行显微图像表征。

采用压痕法测试材料的断裂韧性，Anstis推导的压痕法测试公式为

式中，KIC为断裂韧性；β为测试常数，β=0.016；E为材料的杨氏模量(GPa)；H为材料的维氏硬度(GPa)；F为维氏硬度压痕的作用载荷(N)；C为平均压痕裂纹半径(mm)。

3 试验结果分析

3.1 XRD图谱分析

如图1所示，掺Co，Ni，Ti的氧化铝/碳化硅复合材料的大部分峰位与纯氧化铝的峰位对应。在复合材料中，由于碳化硅会以化合物的形式存在，XRD没有识别[9]。当加入Co元素后，在45位处有对应CoSi峰位。当加入Ni元素后，在45位处由Ni的峰位。当加入Ti元素后，在42和60处明显出现峰位，对应着TiC或TiO2的峰位。当加入Co元素后，在45位处有对应的CoSi峰位；当加入Ni元素后，在45位处有Ni的峰位；当加入Ti元素后，在42和60位处明显出现峰位，对应TiC或TiO2的峰位。

图1 掺Co，Ni，Ti的氧化铝/碳化硅复合材料XRD图谱

在李德芃[10]制备的金属陶瓷刀具中，45峰位的Co元素和50峰位的Ni元素与本研究吻合。高强等[11]制备的Ni/Ti2AlC复合材料中，也在45峰位发现了Ni特征峰位。李祥龙等[12]制备的c-BN增强(Ti，W)C基复合金属陶瓷刀具材料，在62峰位处发现了TiC化合物特征峰。姜龙凯等[13]制备的TiC基复合陶瓷刀具材料，在42和60位处出现明显TiC峰位。

3.2 成分分析

图2分别为掺Co，Ni，Ti的氧化铝/碳化硅复合材料能谱仪(EDS)成分分析。

(a)Al2O3/SiC-Co

(b)Al2O3/SiC-Ni

(c)Al2O3/SiC-Ti

3.3 致密度

由文献可知，氧化铝的理论密度为3.6g/cm3，碳化硅的理论密度为3.2g/cm3[14]，计算出含5%碳化硅的氧化铝复合材料的理论密度为3.58g/cm3。同理计算出掺Co，Ni，Ti的复合材料的理论密度后，分别可得各复合材料的致密度值(见图3)。

图3 掺Co，Ni，Ti的氧化铝/碳化硅复合材料的致密度

由图可以看出，氧化铝/碳化硅复合材料的致密度为95.24%，添加Co，Ni，Ti后，复合材料致密度分别为95.98%，95.82%，96.19%。可以发现，掺金属元素的复合材料的致密度略高于氧化铝/碳化硅，这是由于金属的加入填充了氧化铝和碳化硅晶体之间的间隙，减少了晶粒间缺陷，从而提高了复合材料的致密度。

3.4 硬度分析

由图4可知，氧化铝/碳化硅复合材料的维氏硬度为5.81GPa，掺Co、掺Ni、掺Ti材料的维氏硬度分别为5.64GPa，7.39GPa，8.29GPa。与氧化铝/碳化硅复合材料相比，添加Co元素后，复合材料的硬度没有明显变化；添加Ni元素和Ti元素后，其硬度有显著提升。

图4 掺Co，Ni，Ti的氧化铝/碳化硅复合材料硬度

3.5 弯曲强度分析

如图5所示，当不加入任何金属相元素时，氧化铝/碳化硅材料的弯曲强度在366MPa左右；当加入质量分数为10%的Co时，所得材料的弯曲强度在389MPa左右；当加入质量分数为10%的Ni时，所得材料的弯曲强度在871MPa左右；当加入质量分数为10%的Ti时，所得材料的弯曲强度接近988MPa。可以发现，加入Co元素和Ti元素后，其抗弯强度比Al2O3/SiC复合材料(不添加金属元素)有显著提升，这与硬度测试的结果是一致的。其中，掺Ti的Al2O3/SiC复合材料硬度和弯曲强度的提升幅度均最大。

图5 掺Co，Ni，Ti的氧化铝/碳化硅复合材料弯曲强度

3.6 断口形貌分析

由图6可以看到，在氧化铝/碳化硅复合材料中(不添加金属元素时)存在明显具有方向性的长条状柱状晶；在掺有Co的断口形貌中柱状晶明显减少，晶粒较为均匀；而在掺Ni和Ti的氧化铝/碳化硅中有更小的晶粒，且有明显方向性排布，断口图中有明显的晶粒拔出空洞。说明随着金属元素的添加，晶粒长大受到了抑制，起到细化晶粒的作用，同时，当裂纹扩展过程中遇到偏转剂或桥联剂时，裂纹发生偏转或互锁，且颗粒被拔出基体时，金属粒子可作为偏转剂和桥联剂，从而达到补强增韧的作用[15]。

(a)Al2O3/SiC

(b)Al2O3/SiC-Co

(c)Al2O3/SiC-Ni (d)Al2O3/SiC-Ti

3.7 断裂韧性分析

图7为掺Co，Ni，Ti元素后复合材料的断裂韧性。可以看出，氧化铝/碳化硅复合材料的断裂韧性为6.63MPa·m1/2，当添加钴、镍、钛后，复合材料的断裂韧性分别增加到7.75MPa·m1/2，7.9MPa·m1/2，8.9MPa·m1/2，与不添加金属元素的复合材料相比，添加钴、镍、钛能够显著增强断裂韧性。此结果与文献[16，17]的研究结果一致，金属相第二颗粒的加入能抑制细化晶粒，增强晶界强度，且能与材料中的物质发生反应，从而提高材料致密度，增强材料的力学性能[16，17]。同时，断裂韧性的分析结果也与硬度、弯曲强度和断口形貌结果一致。