1、Cr2AlC顆粒增強Cu基復合材料的制備與性能表征曾舒，蘇忠亮，周健*（廈門大學材料學院，福建廈門361005）摘要：采用熱壓燒結方法制備以三元層狀碳化物陶瓷Cr2AlC為增強相的Cu-Cr2AlC復合材料。利用X射線衍射（XRD）和光學顯微鏡研究復合材料的物相組成和組織形貌；利用維氏硬度儀和萬能試驗機測試其維氏硬度和拉伸力學性能；利用掃描電鏡觀察樣品拉伸斷口形貌。結果表明，當Cr2AlC的體積分數為20%時增強效果最佳，屈服強度和拉伸強度分別達到230和315MPa；Cu基體晶粒細化及增強顆粒與基體之間良好的界面結合是材料強化的主要原因。關鍵詞：Cu-Cr2AlC復合材料；顯微結構；硬度；強

2、度；形貌中圖分類號：TB333文獻標志碼：A金屬Cu因具有良好的導電導熱性、耐腐蝕性及機械加工性得到廣泛應用。然而純Cu的強度和硬度低，耐磨性差，且在高溫下易發生變形，不能滿足現代航空、航天、機械等領域對材料在硬度、強度及耐磨性等方面的要求1-4。顆粒增強Cu基復合材料通過適量引入增強相可以顯著提高金屬Cu的力學性能，同時又不會明顯降低其導電性能，從而成為Cu基復合材料的研究熱點5-9。碳化物陶瓷Cr2AlC是三元層狀化合物MAX相（也稱Mn+1AXn相，其中M代表早期過渡金屬元素，A代表主族元素，X代表C或N元素）中211相的典型代表，它同時具有陶瓷的高強度、高彈性模量、耐腐蝕及高溫抗氧化性

3、等特點以及金屬的高熱導率、高電導率等性能，是近年來受到廣泛重視的一種新型化合物材料10-16。Sun等13采用第一性原理計算方法研究了M2AlC（M=Ti,Cr,V,Nb和Ta）的體積模量和楊氏模量。結果表明Cr2AlC具有極高的體積模量、剪切模量和楊氏模量，是有應用潛力的新材料。目前已有一些關于Cr2AlC增強金屬基復合材料的研究15-16。Gupta等15研究了Ag-Cr2AlC復合材料的磨擦磨損性能，但是未報道力學性能；對Fe-Cr2AlC復合材料的研究發現16，由于Fe的熔點較高，所以熱壓溫度較高，在制備復合材料過程中Cr2AlC完全分解。在MAX相增強Cu基復合材料的研究中發現7,9

4、,17，Cr2AlC與金屬Cu的熱膨脹系數十分接近，而其他MAX族化合物與金屬Cu的熱膨脹系數差異較大。因此Cr2AlC可能是更好的Cu基復合材料增強體。本實驗制備了高純度Cr2AlC粉體，然后用熱壓燒結法制備出Cu-Cr2AlC復合材料，測試其硬度、屈服強度、拉伸強度等力學性能，并對材料進行XRD表征、光學顯微分析、掃描電子顯微鏡（SEM）斷口掃描分析，研究Cr2AlC的加入量對Cu-Cr2AlC復合材料的顯微結構和力學性能的影響，為進一步開發新型Cu基復合材料提供依據。1實驗材料及方法采用無壓燒結方法制備Cr2AlC陶瓷粉體，所用原料為Cr粉（粒徑為200目，純度大于99.95%）,Al粉

5、（粒徑為200目，純度大于99.5%）和石墨粉（粒徑為300目，純度大于99.5%）。將Cr粉，Al粉和石墨粉按摩爾比2:1.1:1裝入球磨罐中在球磨機上機械混合6h使其混合均勻，球磨機轉速為280r/min,經烘干處理后裝入剛玉管中，在管式爐中以10C/min的升溫速率加熱至1350c并保溫0.5h,在此過程中通入僦氣作為保護氣氛，之后樣品隨爐冷卻至室溫。反應完成后經研磨、過篩獲得尺寸均勻的Cr2AlC粉末顆粒，其顆粒尺寸為130”，純度大于97%18。在金屬Cu粉（粒徑為50純度大于99%）中加入Cr2AlC顆粒，使Cr2AlC的體積分數分別達到5%,10%,15%,20%,30%（以下分

6、另J簡稱為S-5,S-10,S-15,S-20,S-30）,經機械混合12h后得到混合均勻的Cu/Cr2AlC復合粉末。將這些粉末分別裝入石墨模具中，在僦氣氣氛中進行熱壓燒Z熱壓燒結溫度為900C,壓力為25MPa,保溫時間為1h。燒結完成后卸除壓力并隨爐冷卻。為了對比實驗結果，在同樣工藝條件下制備了純Cu樣品。所制備復合材料及純Cu樣品的物相組成用X射線衍射（XRD）進行檢測，Cr2AlC在Cu基體中的分布和Cu基體晶粒尺寸用光學顯微鏡觀察。在維氏硬度儀上測試樣品的維氏硬度，所用載荷為10N;在萬能試驗機上進行拉伸力學性能實驗，應變速率為2X10-3s-1。拉伸斷口形貌通過SEM進行觀察。2

7、結果與討論2.1物相與金相分析圖1為各樣品的XRD譜圖。當Cr2AlC的加入量大于20%時，XRD圖譜中出現了AlCu的衍射峰。這是因為在高溫燒結時，Cr2AlC中的Al原子擴散至Cu基體中生成了AlCu相10,19.匕工.1號=304111506(1而一神26()(a)純Cu；(b)(f)依次為S-5,S-10,S-15,S-20,S-30.圖1純Cu及復合材料樣品的XRD譜圖Fig.1XRDpatternsofthepureCuandcomposites圖2是純Cu和Cu-Cr2AlC復合材料的金相照片。從圖2(a)中可以看出，純Cu樣品中有一些均勻分布的密閉氣孔，而在圖2(b)(e)復合

8、材料中可以觀察到絕大部分Cr2AlC顆粒分布在Cu的晶界處，且當Cr2AlC體積分數較小(為5%,10%及15%)時，Cr2AlC顆粒分布較為均勻(圖2(b)(d);當體積分數增大至30%,Cr2AlC顆粒出現了團聚現象(圖2(e)。此外還可以看出，純Cu中Cu的晶粒尺寸明顯大于復合材料中Cu基體的晶粒尺寸，Cr2AlC體積分數為5%時使Cu基體晶粒的平均尺寸明顯降低到約6g,進一步增大Cr2AlC的體積分數，Cu基體的晶粒尺寸基本保持不變，表明Cr2AlC顆粒的加入可以起到晶粒細化的作用。純Cu及復合材料中Cu基體的晶粒尺寸與Cr2AlC體積分數的關系如圖2(f)所示。由于Cr2AlC顆粒的

9、加入會阻礙銅晶粒在熱壓過程中的長大和晶界的遷移，且Cr2AlC的存在會為Cu晶粒在溫度較高時發生再結晶提供形核點，這些都有利于基體晶粒的細化，從而使Cu晶粒的尺寸維持在大約6im,將對基體起到顯著的增強作用。I ：H楣 5 HI IS 202530VMumt eoHttnl 討 CrHT%5 0 5 02 2 11呂名叫浦圖2純Cu(a)及Cu-Cr/lC復合材料(b)S-5,(c)S-10,(d)S-15,(e)S-30)的金相組織及Cu基體的晶粒尺寸隨Cr2AlC體積分數的變化關系Fig.2MicrostructuresofpureCu(a)andthesamples(b)S-5,(c)S

10、-10,(d)S-15,(e)S-30,andGrainsizeofcoppermatrixversusthereinforcementvolumecontentforthesamples(f)2.2力學性能圖3(a)(d)分別是Cu-Cr2AlC復合材料的維氏硬度、屈服/抗拉強度、氣孔率及拉伸延伸率隨Cr2AlC體積分數的變化關系。從圖3(a)可以看出Cu-Cr2AlC復合材料的維氏硬度隨著Cr2AlC體積分數的增加顯著增加，當Cr2AlC體積分數為30%時，復合材料的維氏硬度達到220HV,是純Cu硬度95HV的2.3倍左右。這是由于Cr2AlC的加入使Cu基體的晶粒得到明顯細化，起到細晶

11、強化的作用，且復合材料中的AlCu相也會對Cu基體起到一定的強化作用9，19o復合材料的屈服強度和抗拉強度隨Cr2AlC體積分數的變化關系如圖3(b)所示。可以看出，Cr2AlC的加入使得復合材料的強化效果非常顯著，屈服強度和抗拉強度都隨Cr2AlC體積分數的增加而增加。當Cr2AlC體積分數達20%時，屈服強度和抗拉強度分別為230和315MPa,分別是純Cu的2.8倍和1.7倍。當Cr2AlC體積分數達到30%時，復合材料的屈服強度和抗拉強度反而下降。材料在受到拉應力時，少量的增強相可以起到彌散強化的作用，但是繼續增加Cr2AlC的體積分數，其顆粒的團聚會造成復合材料氣孔率的增加(如圖3(

12、c)所示)，這些氣孔會對材料的力學性能產生不利影響，從而導致材料的強度下降。Zhang等7關于Cu-Ti3AlC2復合材料的研究中，屈服強度和抗拉強度最高值分別為260和280MPa,而Wu等9關于Cu-Ti2SnC復合材料的研究中，屈服強度和抗拉強度為227和360MPa。從圖3(d)的拉伸延伸率與Cr2AlC體積分數的關系可以看出，隨著Cr2AlC體積分數白增加，Cu-Cr2AlC復合材料的拉伸延伸率逐漸降低，表明其塑性逐漸降低。通過對Cu-C2AlC復合材料力學性能的分析表明，在金屬Cu中加入Cr2AlC顆粒可以達到明顯的增強效果，其中Cr2AlC體積分數為20%的Cu-Cr2AlC復合

13、材料具有最佳屈服強度和抗拉強度，同時拉伸延伸率也保持在11.2%的良好水平。D 510 IS 2(125 MV olumr 4-unilmt tif C r2 i%2ICH川a 小21出 ii. 1 u- iphiiiif rrtilEril isf廠廠2 K %, F, I- I051015 20 25 30 i4iirtr cualKvt iF Ct3 .K !%- - J 1 J MIWM 把luln%,c.2一 工 5 冏impkTcatr Ridgei如聞，Cf2 Ml(a)純Cu;(b)(f)依次為S-5,S-10,S-15,S-20,S-30圖4純Cu及Cu-Cr2AlC復合材料

14、的拉伸斷口形貌Fig.4 SEMimagesofthetensilefracturesurfacemorphologyforpureCuandCu-Cr2Aiccomposites3結論1) Cr2AlC顆粒能有效增強Cu,復合材料的維氏硬度、強度等都隨著Cr2AlC體積分數的增加而增加。當Cr2AlC體積分數為20%時，增強效果最佳，屈服強度和拉伸強度分別達230和315MPa,分別是相同工藝條件下純Cu材料的2.8倍和1.7倍，并保持11.2%的良好拉伸延伸率。2) Cu-Cr2AlC復合材料的強化主要是由于Cu基體的晶粒細化和基體與Cr2AlC顆粒之間強的界面結合引起的。參考文獻：1 T

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