山 泉,張亞峰,張哲軒,李祖來(lái),蔣業(yè)華,王鵬飛

(昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,昆明 650093)

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在航天、航空、電子、交通等重大工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的界面是復(fù)合材料載荷傳遞的主要媒介，是復(fù)合材料設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，界面設(shè)計(jì)首先要解決潤(rùn)濕性問(wèn)題，其次是要有一定厚度的界面過(guò)渡層，使基體與增強(qiáng)體在物理和力學(xué)性能上具有一定的梯度性[1-2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)陸續(xù)開展了對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料界面的研究[3-4]。Sivakumar等[3]在Ti-6Al-4V基體中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米SiC顆粒，通過(guò)控制界面產(chǎn)物，達(dá)到提高復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的作用；趙龍志等[4]利用表面具有多孔結(jié)構(gòu)的SiC顆粒，制備帶有界面過(guò)渡層的SiCp/Al雙連續(xù)相復(fù)合材料，并研究了過(guò)渡層對(duì)復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，界面過(guò)渡層降低了復(fù)合材料中的殘余應(yīng)力，提高了復(fù)合材料的壓縮性能。以上研究針對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，通過(guò)復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，引入界面過(guò)渡層，改變復(fù)合材料界面的微觀組織、結(jié)構(gòu)，使增強(qiáng)體和基體在組織、性能上平穩(wěn)過(guò)渡，從而成功提高復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能。

因碳化鎢顆粒熔點(diǎn)高、硬度大、強(qiáng)度高、線膨脹系數(shù)小，并且具有良好的穩(wěn)定性，碳化鎢顆粒與鐵基金屬的潤(rùn)濕角為零，能夠?qū)崿F(xiàn)冶金結(jié)合[5-6]。本工作以WCP/鋼基表層復(fù)合材料為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提高材料的壓縮及熱疲勞性能的目的。為避免基材層和復(fù)合層在組織及性能上巨大差異造成的力學(xué)性能和熱物理性能不匹配，采用梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，在復(fù)合層與基材層結(jié)合處引入過(guò)渡層，通過(guò)在過(guò)渡層中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鎢粉，控制過(guò)渡層含鎢碳化物的生成量，達(dá)到調(diào)節(jié)整體復(fù)合材料組織以及力學(xué)性能的目的。本工作著重測(cè)試WCP/鋼基表層復(fù)合材料的壓縮性能和熱疲勞行為，通過(guò)調(diào)控過(guò)渡層鎢含量?jī)?yōu)化復(fù)合材料的整體性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

采用固相燒結(jié)法制備WCP/鋼基表層復(fù)合材料。增強(qiáng)顆粒為不規(guī)則狀碳化鎢顆粒，30～60目；45鋼粉末，200目；鎢粉，1000目，純度99.99%；AG-IS10KN型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)；XQM-4L行星式球磨機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 壓縮實(shí)驗(yàn)樣品制備及表征

WCP/鋼基表層復(fù)合材料具有復(fù)合層、過(guò)渡層，基材層三層結(jié)構(gòu)，針對(duì)三層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料，分別燒結(jié)相應(yīng)組成的試樣，其成分配比如表1所示。通過(guò)球磨2h將物料混合，按照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)，進(jìn)行預(yù)壓和壓實(shí)。預(yù)壓采用粉末壓片機(jī)，壓力均為10MPa，保壓時(shí)間10min；預(yù)制坯經(jīng)冷等靜壓壓實(shí)，壓力均為250MPa，保壓時(shí)間10min。通過(guò)真空管式爐燒結(jié)出4種不同組成的預(yù)制坯試樣，燒結(jié)溫度均為1300℃，保溫時(shí)間60min，真空度10Pa。最終通過(guò)電火花線切割加工出4種不同組成的標(biāo)準(zhǔn)壓縮試樣[7]，尺寸如圖1所示。

表1 壓縮樣品制備工藝參數(shù)Table 1 Preparation parameters of compression samples

圖1 不同參數(shù)下的壓縮試樣示意圖Fig.1 Schematic of compress sample in different parameters

采用AG-IS10KN力學(xué)試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)基材層、不同鎢含量的過(guò)渡層、復(fù)合層進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)比具有不同鎢含量的過(guò)渡層與復(fù)合層的壓縮性能，得出過(guò)渡層與復(fù)合層性能相匹配時(shí)其鎢的含量，最后再以此鎢含量的過(guò)渡層與復(fù)合層、基材層制出具有梯度結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料壓縮試樣，進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮速率為1mm/min，每個(gè)參數(shù)進(jìn)行 3次壓縮實(shí)驗(yàn)，最后取平均值即為壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)試值。

1.2.2 熱震實(shí)驗(yàn)樣品制備及表征

采用與1.2.1小節(jié)相同的方法，制備參數(shù)如表1中第4組所示，所制成的復(fù)合材料經(jīng)電火花線切割得到熱震實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為10mm×10mm×20mm，如圖2所示。利用電阻爐進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)，加熱溫度500℃，保溫10min，取出后浸入水中冷卻至室溫，如此循環(huán)多次，經(jīng)掃描電鏡和金相顯微鏡觀察復(fù)合材料在熱疲勞環(huán)境下的裂紋萌生、擴(kuò)展情況。

圖2 熱震實(shí)驗(yàn)樣品的示意圖Fig.2 Schematic of thermal shock experiment sample

采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析復(fù)合材料的顯微組織結(jié)構(gòu)和W元素的含量及分布變化規(guī)律，光學(xué)顯微鏡型號(hào)為ECLIPSE MA200，使用的掃描電鏡型號(hào)為XL30ESEM-TEM型掃描電子顯微鏡及所附Phoenix+OIM一體化能譜儀。

2 結(jié)果和討論

2.1 過(guò)渡層鎢含量對(duì)鋼基表層復(fù)合材料微觀組織的影響

圖3為過(guò)渡層中未添加鎢粉以及添加50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)鎢粉時(shí)復(fù)合材料的SEM圖。圖3中自左向右分別為基材層、過(guò)渡層(圖3(a)無(wú)過(guò)渡層)及復(fù)合層，三者之間結(jié)合較好且組織能夠均勻過(guò)渡，無(wú)明顯的氣孔等缺陷，所制WCP/鋼基表層復(fù)合材料組織達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。圖3(b)中過(guò)渡層中白色物相為W元素?cái)U(kuò)散后形成的含W碳化物，包括WC2，WC以及Fe3W3C[8]。

因鎢原子半徑為1.41×10-4μm，鐵原子半徑為1.27×10-4μm，原子半徑差是11%。這一尺寸因素符合Hume-Rothry規(guī)律，但因接近14%～15%這一界限，故鎢在奧氏體中的溶解度有限，約為1%[9]。同時(shí)由于W元素為強(qiáng)碳化物形成元素，在燒結(jié)過(guò)程中，隨著W元素的擴(kuò)散形成Fe3W3C[10-11]，根據(jù)圖4元素能譜分析，在過(guò)渡層區(qū)域，能譜線呈現(xiàn)鋸齒狀，而且隨著過(guò)渡層中鎢粉添加量的增加，能譜曲線波動(dòng)劇烈，反映出過(guò)渡層在成分上的不連續(xù)性，這是由于形成含鎢碳化物導(dǎo)致的，這也證明W元素在擴(kuò)散過(guò)程中與Fe，C元素形成了Fe3W3C。從圖4中可以看出，隨著過(guò)渡層鎢含量的提高，基材層中鎢含量特別是二者結(jié)合的宏觀界面處W元素含量也在提高。燒結(jié)過(guò)程，一部分W元素?cái)U(kuò)散到基材層中，也會(huì)有一部分?jǐn)U散到復(fù)合層中，使宏觀界面在組織和結(jié)構(gòu)上平穩(wěn)過(guò)渡，復(fù)合層、過(guò)渡層和基材層在性能上具有一定的梯度性。性能的梯度性有效地阻止裂紋的擴(kuò)展同時(shí)降低應(yīng)力集中的情況，使復(fù)合材料抗沖擊、抗承載能力得到提升[12-13]。

圖3 過(guò)渡層中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎢粉的WCP/鋼基表層復(fù)合材料SEM形貌(a)0%;(b)50%Fig.3 SEM photographs of WCP/steel based surface composites with different mass fraction of W powder in transition layer(a)0%;(b)50%

圖4 不同鎢含量過(guò)渡層宏觀界面處元素能譜分析(a)測(cè)試位置;(b)10%;(c)20%;(d)30%;(e)40%;(f)50%Fig.4 Element spectrum analysis at macroscopically interface with different W contents(a)test position;(b)10%;(c)20%;(d)30%;(e)40%;(f)50%

2.2 過(guò)渡層鎢含量對(duì)鋼基表層復(fù)合材料壓縮性能的影響

對(duì)比基材層、復(fù)合層以及不同鎢含量過(guò)渡層的壓縮性能數(shù)據(jù)，并分析作圖可得到圖5，由圖5可知基材層的抗壓強(qiáng)度較高，基材層的抗壓強(qiáng)度在800MPa以上，由于大量脆性碳化鎢顆粒的加入，復(fù)合層的抗壓強(qiáng)度為293MPa，復(fù)合層的抗壓強(qiáng)度相較于基材層有明顯的差距，反映出復(fù)合層與基材層間存在較大的性能差異，容易造成復(fù)合材料在服役過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)。

圖5 不同鎢含量復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of composites with different W contents

在復(fù)合層和基體層之間引入過(guò)渡層，可使兩者之間性能平穩(wěn)過(guò)渡，且從圖5可以看出，隨著過(guò)渡層中鎢含量的逐漸增加，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度急劇下降。圖6為過(guò)渡層具有不同鎢含量的復(fù)合材料在斷裂時(shí)的壓縮形變量，從圖6可以看出隨著過(guò)渡層鎢含量的增加，其極限形變量逐漸減小，當(dāng)過(guò)渡層的鎢含量為10%，20%，未發(fā)生斷裂；鎢含量為30%時(shí)，極限形變量為25%；鎢含量為40%時(shí)，極限形變量為18%；鎢含量為50%時(shí)，極限形變量?jī)H為2.9%。即隨著過(guò)渡層中鎢含量的增加，而抗壓強(qiáng)度逐漸減小，材料形變能力減弱。這種趨勢(shì)是由于過(guò)渡層中鎢含量的增加，W元素與基體中的Fe，C元素發(fā)生反應(yīng)形成含鎢碳化物，且數(shù)量逐漸增多，在材料承受壓縮應(yīng)力作用時(shí)，過(guò)多的含鎢碳化物為裂紋的萌生和擴(kuò)展提供了有利條件，增加了裂紋產(chǎn)生的概率，因此降低了過(guò)渡層的抗壓強(qiáng)度。

圖6 不同鎢含量復(fù)合材料的壓縮形變量Fig.6 Compression strain of composites with different W contents

從圖5，6中可以看出鎢含量為30%時(shí)，過(guò)渡層的壓縮曲線與復(fù)合層的較為匹配(圖5中藍(lán)色曲線為鎢含量為30%的過(guò)渡層曲線，橙色為復(fù)合層曲線)，使復(fù)合層和過(guò)渡層在性能上具有一定的適配性。過(guò)渡層鎢含量為30%的復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到553MPa，具有30%鎢含量過(guò)渡層的WCP/鋼基表層復(fù)合材料壓縮性能明顯提高。這是由于引入了鎢含量為30%的過(guò)渡層，在燒結(jié)過(guò)程中，W元素?cái)U(kuò)散形成的含鎢碳化物調(diào)節(jié)了過(guò)渡層的組織結(jié)構(gòu)，使其組織性能與基材層、復(fù)合層相匹配，在載荷的作用下，能有效地緩解應(yīng)力集中的情況，減小裂紋產(chǎn)生的概率，加強(qiáng)界面的結(jié)合力，從而提高了復(fù)合材料的壓縮性能[14-15]。

2.3 過(guò)渡層鎢含量對(duì)鋼基表層復(fù)合材料熱疲勞性能的影響

圖7為WCP/鋼基表層復(fù)合材料鑄態(tài)以及經(jīng)過(guò)不同熱震次數(shù)后復(fù)合層與過(guò)渡層結(jié)合處的顯微圖片，重點(diǎn)觀察復(fù)合材料隨著過(guò)渡層鎢含量(10%，30%，50%)的變化，裂紋的萌生擴(kuò)展情況。

圖7 具有不同鎢含量過(guò)渡層的復(fù)合材料鑄態(tài)(1)及經(jīng)5次(2)和25次(3)熱震后的圖片(a)10%;(b)30%;(c)50%Fig.7 Photographs of composites with different tungsten contents in transition layer as cast (1), after 5 times (2) and 25 times (3) thermal shock(a)10%;(b)30%;(c)50%

當(dāng)過(guò)渡層鎢含量為10%時(shí)，經(jīng)5次熱震，碳化鎢顆粒上開始萌生裂紋，裂紋由顆粒與基體界面處產(chǎn)生并向顆粒內(nèi)部擴(kuò)展，同時(shí)在過(guò)渡層與復(fù)合層結(jié)合處萌生橫向裂紋，個(gè)別顆粒出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，裂紋的擴(kuò)展和顆粒的碎裂程度隨著熱震次數(shù)的增加而逐漸加深；過(guò)渡層鎢含量為30%時(shí)，經(jīng)5次熱震，裂紋首先在顆粒自身萌生，由顆粒與基體界面處產(chǎn)生向顆粒內(nèi)部擴(kuò)展，但隨著熱震次數(shù)的增加，裂紋萌生的數(shù)量較少，擴(kuò)展程度較低；而當(dāng)過(guò)渡層鎢含量為50%的碳化鎢顆粒自身產(chǎn)生的裂紋數(shù)量、擴(kuò)展程度以及碎裂程度最大[16-17]。

碳化鎢的熱膨脹系數(shù)為5.2×10-6℃-1,45鋼的熱膨脹系數(shù)為14.18×10-6℃-1[ 18]，故在熱震過(guò)程中，復(fù)合層與基材層之間存在著較大的熱錯(cuò)配引發(fā)的應(yīng)力應(yīng)變差異，進(jìn)而造成應(yīng)力集中，由于碳化鎢顆粒具有較大的脆性，在熱應(yīng)力作用下，處于復(fù)合層與基材間的宏觀界面處的顆粒，其裂紋萌生的傾向較大[19-21]。故引入過(guò)渡層調(diào)節(jié)復(fù)合層與基材層之間的性能差異，過(guò)渡層中的鎢在加熱過(guò)程中逐漸向復(fù)合層中擴(kuò)散，生成一定的含鎢碳化物，通過(guò)控制組織的變化，使得過(guò)渡層中產(chǎn)生足夠的含鎢碳化物，過(guò)渡層與復(fù)合層的力學(xué)性能表現(xiàn)接近，兩者在熱震實(shí)驗(yàn)中，形變協(xié)同性得到改善，弱化了復(fù)合層與過(guò)渡層之間的應(yīng)力集中。從圖7中可以看出，由于過(guò)渡層中碳化物較為細(xì)小(復(fù)合層中碳化鎢顆粒為數(shù)百微米，過(guò)渡層中碳化物粒度為10μm左右)，金屬材料中碳化物等第二相粒子的尺寸對(duì)其裂紋的萌生和擴(kuò)展有決定性影響[22]。過(guò)渡層與基材層的力學(xué)性能雖然存在較大差距，但作為裂紋源的細(xì)小碳化物，不易萌生裂紋，裂紋的擴(kuò)展受到限制，有效抑制了復(fù)合層與基材層之間的熱變形行為失穩(wěn)。因此，過(guò)渡層鎢含量為30%時(shí)，過(guò)渡層與復(fù)合層的應(yīng)力應(yīng)變匹配性高，其細(xì)小碳化物與高塑韌性基體的組合，幫助復(fù)合層與基材層弱化了熱沖擊作用條件下的應(yīng)力集中，抑制了復(fù)合層中碳化鎢顆粒的裂紋萌生與擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了良好的過(guò)渡作用。

3 結(jié)論

(1)采取梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)預(yù)壓和冷等靜壓成形，最后由真空燒結(jié)制備出WCP/鋼基表層復(fù)合材料。復(fù)合材料顆粒分布均勻，組織致密，無(wú)明顯缺陷，且界面結(jié)合較好，燒結(jié)過(guò)程中過(guò)渡層中的W, Fe, C元素反應(yīng)生成含鎢碳化物，且分布均勻。

(2)引入過(guò)渡層，通過(guò)控制燒結(jié)過(guò)程中過(guò)渡層W元素?cái)U(kuò)散形成的含鎢碳化物，調(diào)節(jié)復(fù)合層與基材層之間的組織結(jié)構(gòu)，使復(fù)合層、過(guò)渡層和基材層在性能上平穩(wěn)過(guò)渡，過(guò)渡層的壓縮性能隨著鎢含量的增加而逐漸降低。在過(guò)渡層鎢含量為30%時(shí)，WCP/鋼基表層復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到553MPa，過(guò)渡層壓縮性能與復(fù)合層相匹配，從而使復(fù)合材料在組織與結(jié)構(gòu)上平穩(wěn)過(guò)渡，緩解應(yīng)力集中，阻礙裂紋萌生擴(kuò)展，從而達(dá)到提高復(fù)合材料的壓縮性能的目的。

(3)在熱震實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，裂紋萌生的數(shù)量及擴(kuò)展程度隨過(guò)渡層鎢含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。過(guò)渡層中的含鎢碳化物，作為細(xì)小的第二相粒子，能有效抑制裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)過(guò)渡層鎢含量為30%時(shí)，復(fù)合層和過(guò)渡層應(yīng)力應(yīng)變匹配性高，細(xì)小的碳化物顆粒與高塑韌性的基體組合，弱化了復(fù)合層和過(guò)渡層在熱沖擊作用條件下的應(yīng)力集中，有效地抑制裂紋的萌生與擴(kuò)展，提高材料的抗熱疲勞性能，實(shí)現(xiàn)良好的過(guò)渡作用。