Cu-Cr2AlC复合材料的制备与力学性能

1、Cr2AlC颗粒增强Cu基复合材料的制备与性能表征曾舒，苏忠亮，周健*（厦门大学材料学院，福建厦门361005）摘要：采用热压烧结方法制备以三元层状碳化物陶瓷Cr2AlC为增强相的Cu-Cr2AlC复合材料。利用X射线衍射（XRD）和光学显微镜研究复合材料的物相组成和组织形貌；利用维氏硬度仪和万能试验机测试其维氏硬度和拉伸力学性能；利用扫描电镜观察样品拉伸断口形貌。结果表明，当Cr2AlC的体积分数为20%时增强效果最佳，屈服强度和拉伸强度分别达到230和315MPa；Cu基体晶粒细化及增强颗粒与基体之间良好的界面结合是材料强化的主要原因。关键词：Cu-Cr2AlC复合材料；显微结构；硬度；强

2、度；形貌中图分类号：TB333文献标志码：A金属Cu因具有良好的导电导热性、耐腐蚀性及机械加工性得到广泛应用。然而纯Cu的强度和硬度低，耐磨性差，且在高温下易发生变形，不能满足现代航空、航天、机械等领域对材料在硬度、强度及耐磨性等方面的要求1-4。颗粒增强Cu基复合材料通过适量引入增强相可以显著提高金属Cu的力学性能，同时又不会明显降低其导电性能，从而成为Cu基复合材料的研究热点5-9。碳化物陶瓷Cr2AlC是三元层状化合物MAX相（也称Mn+1AXn相，其中M代表早期过渡金属元素，A代表主族元素，X代表C或N元素）中211相的典型代表，它同时具有陶瓷的高强度、高弹性模量、耐腐蚀及高温抗氧化性

3、等特点以及金属的高热导率、高电导率等性能，是近年来受到广泛重视的一种新型化合物材料10-16。Sun等13采用第一性原理计算方法研究了M2AlC（M=Ti,Cr,V,Nb和Ta）的体积模量和杨氏模量。结果表明Cr2AlC具有极高的体积模量、剪切模量和杨氏模量，是有应用潜力的新材料。目前已有一些关于Cr2AlC增强金属基复合材料的研究15-16。Gupta等15研究了Ag-Cr2AlC复合材料的磨擦磨损性能，但是未报道力学性能；对Fe-Cr2AlC复合材料的研究发现16，由于Fe的熔点较高，所以热压温度较高，在制备复合材料过程中Cr2AlC完全分解。在MAX相增强Cu基复合材料的研究中发现7,9

4、,17，Cr2AlC与金属Cu的热膨胀系数十分接近，而其他MAX族化合物与金属Cu的热膨胀系数差异较大。因此Cr2AlC可能是更好的Cu基复合材料增强体。本实验制备了高纯度Cr2AlC粉体，然后用热压烧结法制备出Cu-Cr2AlC复合材料，测试其硬度、屈服强度、拉伸强度等力学性能，并对材料进行XRD表征、光学显微分析、扫描电子显微镜（SEM）断口扫描分析，研究Cr2AlC的加入量对Cu-Cr2AlC复合材料的显微结构和力学性能的影响，为进一步开发新型Cu基复合材料提供依据。1实验材料及方法采用无压烧结方法制备Cr2AlC陶瓷粉体，所用原料为Cr粉（粒径为200目，纯度大于99.95%）,Al粉

5、（粒径为200目，纯度大于99.5%）和石墨粉（粒径为300目，纯度大于99.5%）。将Cr粉，Al粉和石墨粉按摩尔比2:1.1:1装入球磨罐中在球磨机上机械混合6h使其混合均匀，球磨机转速为280r/min,经烘干处理后装入刚玉管中，在管式炉中以10C/min的升温速率加热至1350c并保温0.5h,在此过程中通入僦气作为保护气氛，之后样品随炉冷却至室温。反应完成后经研磨、过筛获得尺寸均匀的Cr2AlC粉末颗粒，其颗粒尺寸为130”，纯度大于97%18。在金属Cu粉（粒径为50纯度大于99%）中加入Cr2AlC颗粒，使Cr2AlC的体积分数分别达到5%,10%,15%,20%,30%（以下分

6、另J简称为S-5,S-10,S-15,S-20,S-30）,经机械混合12h后得到混合均匀的Cu/Cr2AlC复合粉末。将这些粉末分别装入石墨模具中，在僦气气氛中进行热压烧Z热压烧结温度为900C,压力为25MPa,保温时间为1h。烧结完成后卸除压力并随炉冷却。为了对比实验结果，在同样工艺条件下制备了纯Cu样品。所制备复合材料及纯Cu样品的物相组成用X射线衍射（XRD）进行检测，Cr2AlC在Cu基体中的分布和Cu基体晶粒尺寸用光学显微镜观察。在维氏硬度仪上测试样品的维氏硬度，所用载荷为10N;在万能试验机上进行拉伸力学性能实验，应变速率为2X10-3s-1。拉伸断口形貌通过SEM进行观察。2

7、结果与讨论2.1物相与金相分析图1为各样品的XRD谱图。当Cr2AlC的加入量大于20%时，XRD图谱中出现了AlCu的衍射峰。这是因为在高温烧结时，Cr2AlC中的Al原子扩散至Cu基体中生成了AlCu相10,19.匕工.1号=304111506(1而一神26()(a)纯Cu；(b)(f)依次为S-5,S-10,S-15,S-20,S-30.图1纯Cu及复合材料样品的XRD谱图Fig.1XRDpatternsofthepureCuandcomposites图2是纯Cu和Cu-Cr2AlC复合材料的金相照片。从图2(a)中可以看出，纯Cu样品中有一些均匀分布的密闭气孔，而在图2(b)(e)复合

8、材料中可以观察到绝大部分Cr2AlC颗粒分布在Cu的晶界处，且当Cr2AlC体积分数较小(为5%,10%及15%)时，Cr2AlC颗粒分布较为均匀(图2(b)(d);当体积分数增大至30%,Cr2AlC颗粒出现了团聚现象(图2(e)。此外还可以看出，纯Cu中Cu的晶粒尺寸明显大于复合材料中Cu基体的晶粒尺寸，Cr2AlC体积分数为5%时使Cu基体晶粒的平均尺寸明显降低到约6g,进一步增大Cr2AlC的体积分数，Cu基体的晶粒尺寸基本保持不变，表明Cr2AlC颗粒的加入可以起到晶粒细化的作用。纯Cu及复合材料中Cu基体的晶粒尺寸与Cr2AlC体积分数的关系如图2(f)所示。由于Cr2AlC颗粒的

9、加入会阻碍铜晶粒在热压过程中的长大和晶界的迁移，且Cr2AlC的存在会为Cu晶粒在温度较高时发生再结晶提供形核点，这些都有利于基体晶粒的细化，从而使Cu晶粒的尺寸维持在大约6im,将对基体起到显著的增强作用。I ：H楣 5 HI IS 202530VMumt eoHttnl 讨 CrHT%5 0 5 02 2 11吕名叫浦图2纯Cu(a)及Cu-Cr/lC复合材料(b)S-5,(c)S-10,(d)S-15,(e)S-30)的金相组织及Cu基体的晶粒尺寸随Cr2AlC体积分数的变化关系Fig.2MicrostructuresofpureCu(a)andthesamples(b)S-5,(c)S

10、-10,(d)S-15,(e)S-30,andGrainsizeofcoppermatrixversusthereinforcementvolumecontentforthesamples(f)2.2力学性能图3(a)(d)分别是Cu-Cr2AlC复合材料的维氏硬度、屈服/抗拉强度、气孔率及拉伸延伸率随Cr2AlC体积分数的变化关系。从图3(a)可以看出Cu-Cr2AlC复合材料的维氏硬度随着Cr2AlC体积分数的增加显著增加，当Cr2AlC体积分数为30%时，复合材料的维氏硬度达到220HV,是纯Cu硬度95HV的2.3倍左右。这是由于Cr2AlC的加入使Cu基体的晶粒得到明显细化，起到细晶

11、强化的作用，且复合材料中的AlCu相也会对Cu基体起到一定的强化作用9，19o复合材料的屈服强度和抗拉强度随Cr2AlC体积分数的变化关系如图3(b)所示。可以看出，Cr2AlC的加入使得复合材料的强化效果非常显著，屈服强度和抗拉强度都随Cr2AlC体积分数的增加而增加。当Cr2AlC体积分数达20%时，屈服强度和抗拉强度分别为230和315MPa,分别是纯Cu的2.8倍和1.7倍。当Cr2AlC体积分数达到30%时，复合材料的屈服强度和抗拉强度反而下降。材料在受到拉应力时，少量的增强相可以起到弥散强化的作用，但是继续增加Cr2AlC的体积分数，其颗粒的团聚会造成复合材料气孔率的增加(如图3(

12、c)所示)，这些气孔会对材料的力学性能产生不利影响，从而导致材料的强度下降。Zhang等7关于Cu-Ti3AlC2复合材料的研究中，屈服强度和抗拉强度最高值分别为260和280MPa,而Wu等9关于Cu-Ti2SnC复合材料的研究中，屈服强度和抗拉强度为227和360MPa。从图3(d)的拉伸延伸率与Cr2AlC体积分数的关系可以看出，随着Cr2AlC体积分数白增加，Cu-Cr2AlC复合材料的拉伸延伸率逐渐降低，表明其塑性逐渐降低。通过对Cu-C2AlC复合材料力学性能的分析表明，在金属Cu中加入Cr2AlC颗粒可以达到明显的增强效果，其中Cr2AlC体积分数为20%的Cu-Cr2AlC复合

13、材料具有最佳屈服强度和抗拉强度，同时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厂厂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如闻，Cf2 Ml(a)纯Cu;(b)(f)依次为S-5,S-10,S-15,S-20,S-30图4纯Cu及Cu-Cr2AlC复合材料

14、的拉伸断口形貌Fig.4 SEMimagesofthetensilefracturesurfacemorphologyforpureCuandCu-Cr2Aiccomposites3结论1) Cr2AlC颗粒能有效增强Cu,复合材料的维氏硬度、强度等都随着Cr2AlC体积分数的增加而增加。当Cr2AlC体积分数为20%时，增强效果最佳，屈服强度和拉伸强度分别达230和315MPa,分别是相同工艺条件下纯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复合材料的强化主要是由于Cu基体的晶粒细化和基体与Cr2AlC颗粒之间强的界面结合引起的。参考文献：1 T

15、ianYZ,LiJJ,ZhangP,etal.Microstructures,strengtheningmechanismsandfracturebehaviorofCu-Agalloysprocessedbyhigh-pressuretorsionJ.ActaMaterialia,2012,60:269-281.2 ZhanYZ,ZhangGD.TheeffectofinterfacialmodifyingonthemechanicalandwearpropertiesofSiCp/CucompositesJ.MaterialsLetters,2003,57:4583-4591.3 LuL,

16、ShenYF,ChenXH,etal.UltrahighStrengthandHighElectricalConductivityinCopperJ.Science,2004,304:422-426.4 DeshpandePK,LinRY.WearresistanceofWCparticlereinforcedcoppermatrixcompositesandtheeffectofporosityJ.MaterialsScienceEngineeringA,2006,418:137-145.5 MoustafaSF,Abdel-HamidZ,Abd-ElhayAM.CoppermatrixSi

17、CandAl2O3particulatecompositesbypowderJ.MaterialsLetters,2002,53:244-249.6 DeshpandePK,LiJH,LinRY.InfraredprocessedCucompositesreinforcedwithWCparticlesJ.MaterialsScienceEngineeringA,2006,429:58-65.7 ZhangJ,ZhouYC.Microstructure,mechanical,andelectricalpropertiesofCu-Ti3AlC2andinsituCu-TiCxcomposite

18、sJ.MaterialsResearchSociety,2008,23:924-932.8 GuDD,ShenYF.WC-CoparticulatereinforcingCumatrixcompositesproducedbydirectlasersinteringJ.MaterialsLetters,2006,60:3664-3668.9 WuJY,ChaiK.StrengtheningofCu-Ti2SnCcompositesduetomicrostructuralchangesinthematerialJ.KeyEngineeringMaterials,2007,353-358:429-

19、432.10 LinZJ,LiMS,WangJY,etal.High-temperatureoxidationandhotcorrosionofCr2AlCJ.ActaMaterialia,2007,55:6182-6191.11 LinZJ,ZhouYC,WangJY.In-situhotpressing/solid-liquidreactionsynthesisofbulkCr2AlCJ.ZMetallkd,2005,96:291-296.12 TianWB,WangPL,ZhangGJ.SynthesisandthermalandelectricalpropertiesofbulkCr2

20、AlCJ.ScriptaMaterialia,2006,54:841-846.13 SunZM,LiS,AhujaR.CalculatedelasticpropertiesofM2AIC(M=Ti,V,Cr,NbandTa)J.SolidStateCommunications,2004,129:589-592.14 TianWB,WangPL,KanYM.PhaseformationsequenceofCr2AlCceramicsstartingfromCr-Al-CpowdersJ.MaterialsScienceEngineeringA,2007,443:229-234.15 GuptaS

21、,FilimonovD,PalanisamyT,etal.Ta2AlCandCr2AlCAg-basedcomposites-NewsolidlubricantmaterialsforuseoverawidetemperaturerangeagainstNi-basedsuperalloysandaluminaJ.Wear,2007,01:028-039.16ChenXH,ZhaiHX,WangWJ,etal.FabricationofCr2AlC-Febasedcompositesbyin-situreactiontechniqueJ.JournalofTheChineseCeramicSo

22、ciety,2013,01:309-313.17LungwaiLN,ZhengW,LiYY.EffectofsinteringtemperatureonthepreparationofCu干3SiC2metalmatrixcompositeJ.JournalofTheChineseCeramicSociety,2013,41:309-313.18SuZL,ZengS,ZhouJ,etal.SynthesisandcharacterizationofCr2AlCwithnanolaminatedparticlesJ.ChineseScienceBulletin,2013,inpress.19贾晓伟.Ti3SiC2-Cu复合材料的制备与性能研究D.北京：北京交通大学，2008.FabricationandMechanicalPropertiesofCu-Cr2AlCCompositesZENGShu,SUZhong-liang,ZHOUJian(CollegeofMaterials,XiamenUniversity,Xiamen361