ni的添加對(duì)tib2-cu基復(fù)合材料微觀組織的影響

1、1 4材料工 程／ 2 0 0 3年 1 1 期 Ni 的添加對(duì) Ti B 2 一 C u基 復(fù)合材料 微 觀 組 織 的 影 響 Ef f e e to fN iAd d i t i v eo nt h eM i c r 0 s t r u c t u r eo fTi B2 - CUM a t r i xCo mp o s i t e s徐 強(qiáng) ，張幸 紅 ，韓 杰 才 ，赫 曉 東 ( 哈 爾濱 工 業(yè) 大學(xué) 復(fù)合 材 料研 究

2、所 ，哈 爾 濱 1 5 0 0 0 1 )XUQi a n g ，Z HANGXi n g — h o n g ，HANJ i e - c a i ，HEXi a o — d o n g( Ce n t e rf o rCo mp o s i t eM a t e r i a l s ，Ha r b i nI n s t i t u t eo fTe c h n o l o g y，Ha r b i n 】 5 0 0 0 1 ， C

3、h i n a )摘要 ： 利用燃 燒合成 工藝原位 合成 了 T i B z — C u 基 復(fù)合材料 ， 為了改善 T i B z 陶瓷和 C u 基 體的潤(rùn)濕性 ， 將 金屬 N i 作為 合金 化元素 加入到 T i B ： 一 C u復(fù)合材料 。 通過(guò) X R D， S E M ， E P MA 和 T E M 等 檢測(cè)手段對(duì) 金屬 N i 的添加 對(duì) T i B z — C u 基 復(fù)合 材料微觀組 織 的影 響進(jìn)行 了研

4、究 。 結(jié)果表 明， 含 Ni 復(fù)合材 料的金 屬粘結(jié)相 的面間距 比不含 Ni 時(shí) C u的面間距均 有不 同程度 的減小 ；Ni 加入后 ，Ti B ： 一 C u — Ni 復(fù)合材料 的組織較 Ti B z — Cu復(fù)合材料 更加致 密 ，但 陶瓷顆粒 尺寸卻大于 T i B ： 一 C u 復(fù)合材 料 的顆粒 尺寸 ； N i 的加入降低 了復(fù)合材料 的導(dǎo)熱率 和冷卻速 度 ， 使得 部分 T i B ： 陶瓷顆粒有 足夠 的時(shí)

5、 間長(zhǎng)成 棒狀 ，同時(shí)造成 Ti B ： 陶瓷 顆粒間形成 更多 的燒結(jié) 頸 ； Ni 的加入 也改善 了陶瓷與金 屬粘結(jié)相 之間 的潤(rùn) 濕性 ， 使 陶瓷相 與金 屬粘結(jié)相 的界面結(jié) 合牢 固， 看不到 T i B ： 一 C u復(fù)合材料 中界面脫 開(kāi)的現(xiàn)象 。 金 屬 Ni 的添加有 利于改善 Ti B z —C u基復(fù)合材 料 的微觀 組織 ，進(jìn) 而利于復(fù)合 材料 的致 密化 。關(guān)鍵詞 ；Ti B ： 一 C u基復(fù)合材 料 ；燃

6、燒 合成 ；Ni ；微觀組織 中 圈 分 類 號(hào) ：T B 3 3文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 ：A文 章 編 號(hào) ： 1 0 0 1 — 4 3 8 1 ( 2 0 0 3 )1 1 - 0 0 1 4 - 0 4Ab s t r a c t ：Ti B2 一 Cum a t r i xc o mp o s i t e swe r ei n — s i t up r o d u c e dv i ac o m b u s t i o ns y

7、n t h e s i s ．Ni c k e l ，a sa na l l o ye l e m e n t ，wa sa d d e di n t oTi B2 一 Cuc o mp o s i t et Oi m p r o v et h ewe t t a b i l i t yb e t we e nt i t a n i u m d i —b o r i d ea n dc o p p e rm a t r i x ． T

8、h ee f f e c to fn i c k e 1a d d i t i v eo nt h em i c r o s t r u c t u r e so fTi B 2 - Cuma t r i xc o m p o s i t e swa si n v e s t i g a t e du s i n gXRD ，S EM ，EP M A a n dTE M ． Th er e s u l t ss h o w t h

9、a tt h ef a c es p a c e so fme t a lb i n d e ri nTi B2 一 Cu — Nic o mp o s i t ea r el o we rt h a nt h o s ei nTi B2 一 Cuc o m p o s i t e ． W i t ht h ea d d i t i o no fn i c k e 1 ，t h em i c r o s t r u c t u r eo

10、 fTi B2 一 Cu — Nic o m p o s i t ei sd e n s e rt h a nt h a to fTi B2 一 Cuc o m p o s i t e，wh i l et h es i z eo fTi B2p a r t i c l e si sl a r g e rt h a nt h a ti nTi B2 一 Cuc o m p o s i t e ．S o meTi B2p a r —t i

11、c l e sh a v ee n o u g ht i met og r o w i nb l o c k — l i k es h a p eb e c a u s et h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dc o o l i n gr a t eo fc o mp o s i t er e d u c ewi t ht h ea d d i t i o no fn i c k

12、e 1 ． M o r e o v e r ， mo r es i n t e r i n g — n e c k i n gb e t we e nTi B2p a r t i c l e sa n dp a r t i c l e sa r ef o r me di nTi B 2 一 Cu — N ic o mp o s i t e ． Th ei n t e r r a c i a lb o n d i n gb e t we

13、e nTi B2a n dme t a lb i n d e ri sg o o da n dn oi n t e r f a c i a ld e b o n d i n go ri n t e r f a c ec r a c ki sf o u n di nTi B2 一 Cu — Nic o m p o s i t ed u et Oi mp r o v e me n to fwe t t a b i l i t yb e t

14、we e nTi B 2a n dme t a lb i n d e r ． Th er e s e a r c hh a sl e dt Ot h ed i s c o v e r yo fi m p r o v e me n to fm i c r o s t r u c t u r ea n dd e n s i f i c a t i o no fTi B2 一 Cuma t r i xc o mp o s i t e sd u

15、 et Ot h ea d d i t i o no fn i c k e 1 ．Ke ywo r d s： Ti B2 一 Cuma t r i xc o m p o s i t e；c o m b u s t i o ns y n t h e s i s ；n i c k e 1 ；m i c r o s t r u c t u r eT i B 。 一 C u基 金 屬 陶瓷 復(fù) 合 材 料 既 具 有 Ti B 。 陶 瓷 的

16、高熔 點(diǎn) 、 高 硬 度 和 剛度 ，又具 有 金屬 C u的高 塑性 、高 導(dǎo) 電性 和 導(dǎo)熱 性 ，因此 ， 最 近 Ti B 。 增 強(qiáng) C u基 復(fù) 合 材料 已經(jīng) 引起 了廣泛 的關(guān) 注 L l] 。 但 是 由于 Ti B 。 陶 瓷 和 金 屬 Cu的 潤(rùn) 濕 角 為 1 3 6 ～ 1 5 8 o L，潤(rùn) 濕 性 相 當(dāng)不 好 ，而金 屬 與 陶瓷顆 粒 間 的潤(rùn) 濕 能力 是衡 量 金 屬 陶 瓷 組織結(jié)構(gòu)與性 能優(yōu)劣

17、 的主要條件之一 ，潤(rùn)濕力愈強(qiáng) ，則 金 屬 形成 連 續(xù)相 的可 能性 愈 大 ， 金 屬 陶 瓷 的性 能愈 好 L 5 ] 。為 了得 到微 觀 組 織 均 勻和 性 能 良好 的 T i B 。 一 C u基復(fù)合材料，有必要采用某種途徑來(lái) 改善 T i B 。 陶瓷 與金 屬 C u之 間 的 潤(rùn)濕 性 。在金 屬 基 體 中添加 一 定 量 的合金元素可 以有效地改善材料 中組元之 間的潤(rùn)濕 性[ 6 ] 。 本工作正是基 于

18、此思想 ， 在基體 C u中添加一定 量 的 Ni ，利 用 XRD，S E M ，E P MA 和 T E M 等 檢 測(cè) 手段 對(duì) 添 加 Ni 前 后 的 Ti B 。 一 C u基 復(fù) 合 材 料 的微 觀 組 織進(jìn)行詳細(xì)研究。維普資訊 http://www.cqvip.com l 6材料工程 ／ 2 0 0 3年 1 1期 8 N i 復(fù)合材料的 S E M 照片以示比較 。 可以發(fā)現(xiàn) ， 燃燒 合成的 T i B一 4 0

19、C u 一 8 N i 復(fù)合材料組織致密 ，但不太均 勻 ，Ti B顆 粒 尺寸 大小 不 一 ，且 尺 寸 明 顯 大 于 T i B一5 0 C u復(fù) 合材 料 中的 Ti B顆 粒 尺寸 ， Ti B陶瓷顆 粒 形 態(tài) 呈 近等 軸 狀 ，也 存 在一 些 棒狀 顆 粒 。Ti B 2 — 5 0 Cu中 的 Ti B 2 顆粒 尺 寸 比 Ti B 2 — 4 0 C u 一 8 Ni要 細(xì)小 ， 這是 因?yàn)?金屬 Ni 的加

20、入 ， 導(dǎo) 致在 Ti B一 4 0 Cu 一8 Ni 材料 中形成 了 ( C u ，Ni )固溶 體 。眾所 周 知 ，固 溶 體 的 導(dǎo) 熱 率 要 低 于 純 金 屬 的 導(dǎo) 熱 率 [ 8 ] ， 即 ( C u，Ni ) 固溶 體 的 導(dǎo)熱 率 大大 低 于金 屬 C u的導(dǎo) 熱 率 ， 從 而 降 低 了 Ti B一 C u基 復(fù)合 材 料 的導(dǎo) 熱 率 ， 導(dǎo) 熱 率會(huì) 影 響 燃 燒合 成 反應(yīng) 后 材 料 的冷 卻

21、速度 ，即 Ti B一 5 0 C u復(fù) 合 材料 的冷卻 速度高 于 T i B一 4 0 C u 一 8 N i 復(fù)合材 料 的冷 卻 速度 。 因 此 ， Ti B一 5 0 C u復(fù) 合材 料 中 的 陶瓷 顆粒 尺 寸 要 比 T i B一 4 0 C u 一 8 N i 復(fù)合材料中的顆粒尺寸細(xì)小 。在 Ti B一 4 0 C u 一 8 Ni 復(fù) 合 材 料 中觀 察 到 棒 狀 Ti B顆粒形態(tài) ， 而在 T i B一 5

22、 0 C u復(fù)合材料中卻很難見(jiàn)到棒 狀 顆 粒 。這 主 要是 因?yàn)?Ti B的晶 體 結(jié) 構(gòu)是 C3 2結(jié) 構(gòu) ( 密 排 六 方 ， 口一0 ． 3 0 3 3 n m， f一0 ． 3 2 3 n m) ， 沿著 c軸 方 向 ， Ti 原 子 面和 類 似 于石 墨 的 B原 子 面 交替 堆 積 構(gòu) 成 二 維 網(wǎng) 狀 結(jié) 構(gòu) [ 9 ] 。 由 于 Ti B的 最 慢 生 長(zhǎng) 面 是 ( 0 0 0 1 ) 基 面 和 {

23、1 1 0 0 ) ， 而 { 1 1 2 0 ) 的生 長(zhǎng)最 快 n。 Ti B一5 0 C u復(fù)合材料 的冷卻 速度高于 T i B一 4 0 C u 一 8 N i 復(fù)合 材 料 中 的冷卻 速 度 ， 較 高 的冷卻 速 度使 得 生 成 的 Ti B顆粒來(lái)不及沿 晶體學(xué)方 向長(zhǎng)大是 近等軸狀 T i B形成 的 主要 因素 。而 T i B一 4 0 C u 一 8 Ni 復(fù)合 材 料 的冷 卻 速度 較 慢 ，使 得 T i

24、 B顆粒 有 充 足 的 時(shí) 間 沿 晶體 學(xué) 方 向長(zhǎng) 大成 棒 狀 顆粒 。另 外 ， 從 圖 3中還 可 以看 出 ， Ti B一 5 0 C u復(fù) 合 材料 中的 Ti B顆 粒 主 要 以單 顆粒 形 式 存 在 ，顆 粒 與顆 粒 之 間 的燒結(jié) 頸 比較 少 ，而 T i B一 4 0 C u 一 8 Ni 復(fù)合 材 料 中 Ti B顆 粒 之 間則 存 在較 多 的燒 結(jié) 頸 。 分 析認(rèn) 為 主要 有 兩個(gè)原 因：一是

25、 T i B 。 一 5 0 C u復(fù)合材料 中過(guò)高 的冷卻 速度使得顆粒之間原子的相互擴(kuò)散減弱 ； 二是因?yàn)榻?屬 Ni 加 入 到 金 屬 Cu中 ，提 高 了元 素 在 液 相 中 的活 性 ，從 而有 利 于 Ti B陶瓷 顆粒 間形成 燒 結(jié) 頸 。2 ． 3EP MA 分 析 T i B一 5 0 C u復(fù)合材料 的背 散射 電子照片 以及 C u元 素 的 面掃 描結(jié) 果 如 圖 4所示 。 從 圖 4可 以看 出 ， T

26、i B陶 瓷 顆 粒 之 間 主 要 是 靠 金 屬 C u粘 結(jié) ，金 屬 C u在 T i B一 5 0 C u復(fù)合材料 中的分布比較均勻 ，而且 已形成 連 續(xù) 網(wǎng)絡(luò) 狀 結(jié) 構(gòu) ，Ti B陶瓷 顆粒 尺 寸 細(xì) 小 。圖 4T i B 2 — 5 0 C u 復(fù)合材料 的背散 射電子像和 C u元素面掃描 圖Fi g ． 4Ba c ks c a t t e r e de l e c t r o ni m a g eo fTi

27、B2 — 50 Cuc o m p o s i t e ( a ) a n dX- r a yd o tma p so fe l e m e n tc o p p e r ( b )圖 5 是 添加 N i 的 T i B一 4 0 C u 一 8 Ni 復(fù)合 材料的背 散 射 電子 照 片 以及 Cu 、 Ni 元 素 的面 掃描 結(jié) 果 。 從 圖 5中 可 以看 出 ， T i B陶瓷 顆 粒 尺寸 粗 大 ， 金 屬粘 結(jié) 相基

28、 本 呈現(xiàn) 連 續(xù) 網(wǎng)絡(luò) 狀結(jié) 構(gòu) ，但 是 與 Ti B一 5 0 C u復(fù)合 材料 中的金屬粘結(jié)相相 比， Ni 的添加導(dǎo)致 了金屬粘結(jié)相的 聚 集 。 仔 細(xì) 觀察 圖 5 b和 c的尖 角 ，可 以發(fā) 現(xiàn) ， 在 某些 尖 角處 ， Ni 的含 量高 于 C u的 含量 ， 這 是 因 為金 屬 Ni與 T i B陶 瓷的 潤(rùn)濕 角 僅為 3 0 o [ ¨，Ni 比 Cu更 易 于填 充一 些 Ti B顆粒 之 間

29、的孔 隙 ，可見(jiàn) ，添 加 金屬 Ni 可 提高 金 屬粘 結(jié) 相 與 陶瓷顆 粒 的潤(rùn) 濕性 。圖 5T i B 2 — 4 0 C u 一 8 N i 復(fù)合材料 的背散 射電子像 和 C u 、N i 元 素面掃描圖 Fi g ． 5Ba c ks c a t t e r e de l e c t r o ni m a g eo fTi Bz 一 4 0 Cu 一 8 Nic o m p o s i t e ( a)a n dX—