纳米晶A1的晶粒尺寸控制及微观结构表征

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摘要：通过控制供料速率，采用自悬浮定向流法和真空热压技术制得了不同晶粒尺寸的纳米晶A1块体。通过x射线衍射分析，扫描电镜分析和显微硬度测试研究了块体的微观结构和力学性能。研究结果表明：通过改变自悬浮定向流技术的供料速率和热压温度均可调控纳米晶A1块体的晶粒尺寸，但前者的作用更明显，这是因为纳米A1颗粒表面的氧化层增加了块体的热稳定性。纳米晶Al块体的显微硬度和晶粒尺寸呈现出正的Hall-Petch关系。

关键词：供料速率；自悬浮定向流法；真空热压；

Hall-Petch关系

中图分类号：TGl46.21文献标识码：A文章编号：1674-3024（2016）09-184-02

前言

由于在许多方面表现出特殊的性质，近几十年来纳米晶材料一直是科学研究的热点。尽管目前已有各式各样的纳米材料的制备方法，但成本和产量仍然是限制纳米材料广泛应用的关键问题。自悬浮定向流法是最近发展起来的一种较为高效的纳米粉末的制备方法，其可实现连续化生产，产量较高，并可制备绝大多数金属及合金的纳米粉末。真空热压是一种有效的粉末固结技术。结合自悬浮定向流法和真空热压技术，目前已制备出了高质量的Al、Cu、Fe、Ti、TiAl、CttAl等纳米晶金属及合金。

晶粒尺寸是影响纳米晶材料性能最重要的因素。然而，目前还没有系统的讨论调控自悬浮定向流一真空热压过程的晶粒尺寸的报道。本文通过控制自悬浮定向流技术的供料速率制得了不同晶粒尺寸的纳米晶Al块体，并研究了其微观结构和力学性能。

1.实验方法

通过自悬浮定向流技术，分别采用0.7、1.4、2.1g/h的供料速率制备纳米Al粉末。然后将制得的纳米粉末在设备上进行热压处理。压室内真空度保持在1.5x10^-3pa以下，热压温度Tp为450°C，热压压力P为555MPa，热压时间t为60min。

利用PhilipsX"PertPRO型x射线衍射仪，测定样品的XRD衍射谱线。通过Williams-Hall方法分析样品的晶粒尺寸和微观应变。

通过FEI Sirion 200型场发射扫描电子显微镜（SEM）进行块体样品断口的微观形貌观测和微区成分的能谱分析（EDS）。用MVD-1000D1型维氏硬度计进行显微硬度测试，测试中负载时间为15s，测试载荷0.5kg，每个样品的显微硬度均取5个点计算平均值。

2.实验结果与讨论

2.1纳米Al粉末的表征

从图3-1中可以看出，不同供料速率制得的纳米A1粉末中均有较大和较小的颗粒存在，很难直接分辨出不同供料速率制得的粉末的粒径差别。

图3—1不同供料速率制得的纳米A1粉的XRD图谱（a）

0.7，（b）1.4，（c）2.1g，h

从图3-2（a）中可以看出，制备过程中没有引入XRD可分辨的杂质相。与粗晶Al相比，纳米Al粉末的XRD衍射峰峰形变宽，峰强变弱，表明其晶粒发生了细化。图3-2（b）是根据XRD图谱，通过Scherrer公式估算的纳米Al粉末的晶粒尺寸，可见，随供料速率增大，粉末的平均晶粒尺寸增大。

2.2纳米晶Al块体的微观结构

从3-3（a）可以看出热压过程没有引入XRD可分辨的杂质相。图3-3（b）是根据块体的XRD图谱，通过Williams-Hall方法计算得到的晶粒尺寸和微观应变。可以看出，随供料速率增大，粉末的平均晶粒尺寸增大，纳米晶A1块体的平均晶粒尺寸也明显增大。温度是影响材料晶粒尺寸最重要的因素之一，然而之前的研究发现，热压温度小于500°C时，采用不同温度热压的纳米晶Al块体的晶粒尺寸相差很小，热压温度大于500°C时，块体的晶粒尺寸也仅略有增长。可见，通过控制供料速率更能有效的调控纳米晶Al块体的晶粒尺寸，这主要是因为纳米Al颗粒表面的氧化层增加了块体的热稳定性。

块体的平均晶粒尺寸相比于粉末平均晶粒尺寸略有增大，但没有发生明显的异常长大现象，各块体均保持了纳米晶结构。这主要是因为加热条件下，多晶颗粒内位错和晶界运动造成了多晶颗粒内晶粒的长大，然而由于颗粒表面连续致密氧化层的阻碍作用，晶界很难跨过氧化层进一步造成晶粒长大，所以各块体平均晶粒尺寸相比粉末略有长大而仍然保持纳米晶结构。

2.3纳米晶Al的显微硬度

由图3-4可以看出，各块体的显微硬度远远大于粗晶A1的显微硬度（0.27GPa），达到了粗晶Al显微硬度的8～10倍，且随块体平均晶粒尺寸的增大，纳米晶Al的显微硬度增大，即基本服从一种正的Hall-Petch关系。已有研究表明，晶粒尺寸D从粗晶降到纳米级，Al表相出三种模式的Hall-Petch关系，即D>约70nm时，D和强度遵循Hall-Petch关系；当约70nm>D>约40nm时，其强度在原Hall-Perch关系基础上出现正偏移；当D<约40nm，D和强度表现出反Hall-Petch关系。本实验各块体的晶粒尺寸均大于40nm，块体显微硬度随晶粒尺寸减小而增大，这与现有文献研究结论相一致。

3.结论

通过控制供料速率，采用自悬浮定向流法和真空热压技术制得了不同晶粒尺寸的纳米晶Al块体并研究了其微观结构和力学性能。供料速率越小，粉末和块体的平均晶粒尺寸也越小。通过改变自悬浮定向流技术的供料速率和热压温度均可调控纳米晶A1块体的晶粒尺寸，但前者的作用更明显，这是因为纳米Al颗粒表面的氧化层增加了块体的热稳定性。纳米晶Al块体的显微硬度和晶粒尺寸呈现出正的Hall-Petch关系。