等离子活化烧结Ta-2Ti...合材料的微观结构与力学性能_张建.pdf

第 27 卷第 6 期 粉末冶金材料科学与工程 2022 年 12 月 Vol.27 No.6 Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy Dec.2022 DOI:10.19976/ki.43-1448/TF.2022063 等离子活化烧结 Ta-2Ti-xTiC 复合材料的 微观结构与力学性能 张建，贾浩，马帅，张诗荃，葛帅，罗国强，沈强 (武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070)摘 要：采用等离子活化烧结法制备 Ta-2Ti-xTiC(x=0、0.5、1.0、2.0 和 4.0，质量分数，%)复合材料，研究 TiC对复合材料微观结构和力学性能的影响。结果表明，随 TiC 含量增加，复合材料的致密度先升高后降低，Ta-2Ti-0.5TiC 的致密度达到最高值 99.5%。加入 TiC 可抑制晶粒生长，晶粒尺寸随 TiC 含量增加而减小，TiC 质量分数为 4.0%时，晶粒尺寸减小至 2.98 m。TiC 在高温下发生脱碳反应，生成的 C 与 Ta 反应原位生成高硬度的 Ta2C 陶瓷相，起到桥接基体晶粒与阻碍裂纹扩展的作用。随 SiC 含量增加，Ta-2Ti-TiC 复合材料的硬度和抗磨强度提高，这得益于晶粒细化与原位生成的 Ta2C 高硬度陶瓷相。关键词：Ta-Ti-TiC；等离子活化烧结；致密化；力学性能；微观结构 中图分类号：TB331 文献标志码：A 文章编号：1673-0224(2022)06-579-07 Microstructure and mechanical properties of plasma activated sintered Ta-2Ti-xTiC composites ZHANG Jian,JIA Hao,MA Shuai,ZHANG Shiquan,GE Shuai,LUO Guoqiang,SHEN Qiang (State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)Abstract:Ta-2Ti-xTiC(x=0,0.5,1.0,2.0 and 4.0,mass fraction,%)composites were prepared by plasma activated sintering method.The effects of TiC on the microstructure and mechanical properties of the composites were studied.The results show that with the increase of TiC content,the relative density of the composites increases first and then decreases,and the relative density of Ta-2Ti-0.5TiC reaches the highest value of 99.5%.The addition of TiC can inhibit the grain growth,and the grain size decreases with the increase of TiC content.When the TiC content is 4.0%,the grain size decreases to 2.98 m.TiC undergoes decarburization reaction at high temperature,and the generated C reacts with Ta to generate high-hardness ceramic phase Ta2C in situ,which plays a role in bridging matrix grains and hindering crack propagation.The mechanical properties of Ta-2Ti-TiC composites improve with increasing TiC content,which is attributed to the benefits from grain refinement and in-situ generation of Ta2C high-hardness ceramic phase.Keywords:Ta-Ti-TiC;plasma activated sintering;densification;mechanical properties;microstructure 钽(Ta)具有高密度(16.65 g/cm3)、高熔点(2 996)、优异的耐腐蚀性能与生物相容性，以及特殊的电学性能，在电子工业、航空航天、新能源、核工业与生物医学等领域具有广阔的应用前景16。然而，纯钽的强度较低，且钽对氧的高亲和力导致在晶界处易形成氧化物，从而增加钽的脆性，使钽的加工制备具有一定的难度79。目前普遍采用合金化的方式改善钽的力学性能，FILGUEIRA 等10在钽中引入 Ni 制备 Ta-Ni 合 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51932006)收稿日期：20220619；修订日期：20220923 通信作者：张建，副研究员，博士。电话：027-87168606；E-mail: 粉末冶金材料科学与工程 2022年12月 580金的致密度与力学性能显著提高。近年来 Ta-W 合金发展迅速，WANG 等11和 DONG 等12采用电子束熔炼法制备 Ta-W 合金，发现 W 能抑制 Ta 晶粒生长，起到细晶强化的作用，然而 Ta-W 合金的抗氧化性能较差，使其应用受到限制。Ti 具有优异的抗氧化能力，可减少 Ta 基体中晶界氧化物的形成，且 Ti 与 Ta 发生固溶，是增强钽基材料的潜力元素1315。BROWNING等16研究发现，在 Ta-10%W 合金中添加 TiC 制备的Ta-10%W-1.5%TiC(体积分数)复合材料，晶粒细小，高温强度和延展性均与 Ta-10%W 合金相当，室温下的硬度和抗弯强度提高。等离子活化烧结(plasma activated sintering,PAS)也称为放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)，是一种利用脉冲等离子体进行导电或非导电粉末烧结的新型材料烧结工艺，烧结机理为电场效应、机械压力效应和热效应的综合作用1718。与传统无压烧结和热压烧结相比，等离子活化烧结是一种快速、低成本的钽基材料烧结工艺，在较低的烧结温度下可获得较高的致密度1920。ANGERER 等21对 Ta 粉进行等离子活化烧结与常规热压烧结，发现等离子活化烧结的最高致密度达到 95%，硬度更高。本文作者在 Ti 元素的固溶强化基础上添加 TiC 陶瓷相，采用等离子活化烧结法制备 Ta-Ti-TiC 复合材料，研究 TiC 含量对复合材料微观结构、致密性与力学性能的影响，对于进一步提高纯钽的综合力学性能具有重要意义。1 实验 1.1 Ta-Ti-TiC 复合材料的制备 所用原料为钽粉，中诺新材有限公司生产，纯度(质量分数，下同)为 99.95%，粒径为 10.5 m；Ti 粉和 TiC 粉为上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产，纯度均为 99%。其中 Ti 粉的粒径为 35 m，TiC 粉的平均粒径为 50 nm。按照 Ta-2Ti-xTiC(x=0、0.5、1.0、2.0 和 4.0，质量分数，%)复合材料的名义成分称量原料粉末，加入乙醇，用行星式球磨机(德国莱驰公司)球磨 5 h，球磨时通入氩气以防止粉末氧化。球磨后的混合粉末在真空烘箱中干燥 12 h，然后采用 ED-PAS-型等离子活化烧结炉(日本ELENIX公司)在氩气环境中进行烧结。烧结温度为 1 500，施加压力 50 MPa，升温速率100/min，保温时间 3 min。保温结束后随炉冷却至室温，得到 5 组不同 TiC 含量的 Ta-2Ti-TiC 复合材料，样品为直径 20 mm、高度 4 mm 的圆柱形。1.2 组织与性能表征 采用阿基米德排水法测定 Ta-2Ti-xTiC 复合材料的致密度。用 Ultima-III 型 X 射线衍射仪(XRD)分析材料的物相组成，用 FEI-Quanta-FEG250 型场发射扫描电镜(FE-SEM)观察材料表面的微观形貌。SEM 试样经镶嵌、机械抛光与腐蚀后获得，腐蚀剂的组成为V(HCl):V(HNO3):V(HF)=2:2:1。通过电子背散射衍射系统(electron backscatter diffraction,EBSD。Oxford Instruments，英国)对复合材料进行微区物相鉴定。用MicroMet-2140 型维氏硬度计测定 Ta-Ti-TiC 复合材料的维氏硬度(HV)，9.8 N 荷载下加载 15 s，每个样品取5 个点进行测试，取平均值。用 Image Pro 软件对 SEM图进行统计，获取材料的晶粒尺寸分布。采用 Instron-5966 型万能实验机，参照国标 GB/T 2322010 金属材料 弯曲试验方法 对材料进行抗弯强度测试，试样尺寸为 2 mm3 mm18 mm，每种材料取 5 个试样进行测试，计算平均抗弯强度。2 结果及讨论 2.1 致密度 图1所示为TiC含量对Ta-2Ti-xTiC复合材料致密度的影响。由图可见，在 Ta-2Ti 合金中添加 0.5%TiC时，材料的致密度显著提高到 99.5%，随 TiC 含量增加，材料致密度降低。分析认为，添加的少量 TiC 颗粒在高温下与粉末中的微量氧发生脱碳反应，产生CO或 CO2通过孔隙通道从烧结体内排出，使烧结体的氧含量降低，从而改善基体颗粒间的界面结合能力，提升材料致密度。但由于 TiC 是纳米颗粒，含量过高时会发生团聚，导致烧结体内产生孔洞等缺陷，致密度 图 1 TiC 含量对 Ta-2Ti-xTiC 复合材料致密度的影响 Fig.1 Effect of TiC content on the relative density of Ta-2Ti-xTiC composites 第 27 卷第 6 期 张建，等：等离子活化烧结 Ta-2Ti-xTiC 复合材料的微观结构与力学性能 581降低22。2.2 物相组成 图 2 所示为 Ta-2Ti-xTiC 复合材料的 XRD 谱。图 图 2 Ta-2Ti-xTiC 复合材料的 XRD 谱 Fig.2 XRD patterns of Ta-2Ti-xTiC composites 中有 Ta 与 Ta2C 的衍射峰，未发现 Ti 与 TiC 的衍射峰。在烧结过程中，TiC 分解生成 Ti 与 C，Ti 元素在Ta 基体中快速扩散，最终以固溶体的形式存在，因此通过 XRD 无法检测到 Ti 与 TiC，而 C 元素与 Ta 基体发生化学反应生成高硬度陶瓷相 Ta2C2324。2.3 微观结构 图 3 和图 4 所示分别为 Ta-2Ti-xTiC 复合材料的SEM 图和平均晶粒尺寸。由图 3 可见所有材料都较致密。Ta-2Ti-0.5TiC 复合材料表面有少量凸起的第二相(白色箭头所示)，结合 XRD 分析可知为 Ta2C，由于Ta2C 的硬度高于基体，因此抛光后在样品表面凸起。随TiC含量增加，Ta2C相明显增多。由图4可知，Ta-2Ti晶粒尺寸为 9.65 m，随 TiC 含量增加，晶粒尺寸逐渐减小，Ta-2Ti-4TiC 材料的晶粒尺寸仅为 2.98 m，这表明在 Ta 中添加 TiC 可有效抑制晶粒长