冶金烧结基材的观察试验

1引 言

随着新材料、新技术的不断发展与应用，材料的轻型化、节能化、智能化、环保化已经成为 21 世纪材料科学发展的主题。轻质高强金属基复合材料由于具有更高的比刚度、比强度，在强调材料轻型化的今天，受到越来越多的关注。在金属基复合材料的制备工艺中，粉末冶金工艺方法由于其工艺温度低及近净成形等特点, 使其具有独特的优越性并被广泛采用[1]。粉末冶金（PM）方法最初主要应用于一些难熔材料和高熔点金属，由于这些材料塑性差、变形困难，制备过程中主要采用粉末冶金工艺方法。粉末冶金工艺中的经典烧结理论的研究也是基于高熔点、脆硬材料的[2]。但是，建立在脆硬材料之上的经典烧结理论是否适用于低熔点、低密度的材料，至今仍在研究之中。以往的烧结工艺研究，为了了解烧结后材料显微组织的演变，是将烧结后的试样重新打磨、抛光成金相试样后，在光学金相显微镜下观察其组织的改变。这一方法的缺陷在于得出的试验结果只是烧结完毕后试样组织的变化，对于二元或多元合金系金属粉末而言，无法实时了解烧结过程中基体粉末和添加的合金粉末颗粒间的烧结机理和显微组织的演变过程。用粉末冶金方法制备金属基复合材料，在烧结阶段，基体与外加增强相之间一般不发生反应[3]，烧结工艺的设计是依据基体材料而定。由于铝合金的烧结温度低于纯铝的熔点，因此，在烧结过程中我们可以利用高温光学金相显微镜对整个过程进行原位观察。为了验证经典烧结理论中的“球－球烧结模型”对铝、镁等屈服强度比较低的粉末体系是否依然有效，西安交通大学材料学院柴东朗课题组成功利用自行改制的高温光学金相显微镜，对二元铝基纯金属粉末体系的烧结过程进行了原位观察，即在烧结的同时，实时观察金相试样表面组织的演变过程，并将烧结过程录像存入计算机，发现了许多先前未有报道的新成果，为材料的试验及检测开创了一条新路。

2 试验装置的改造

为了能做到烧结过程的原位观察，试验装置必须要解决两个问题，一是烧结炉要足够小，可以放在光学金相显微镜下对试样进行实时观察，并有冷却系统和控温系统；二是光学金相显微镜的镜片要耐高温，同时要具备成像系统，以便及时将光学信息转换成数字信号，并输入到计算机中以数字格式存储起来，使试验者可以实时观察。经过不断的探索与试验，课题组终于成功研制了可以用于原位观察的高温光学金相显微镜。

课题组自制的高温光学金相显微镜是在普通的光学金相显微镜基础上加以改造的，增加了成像系统和加热系统。结构框图见图 1。成像系统由光学成像系统和数码转换系统两部分构成，数码转换系统的作用是把拍摄到的图像由光学信号转换成数字信号，并存储为数字格式。通过数码转换系统，可以对实验过程拍摄动态连续图像，并根据需要截取成静态单幅图像。整个烧结过程均由成像系统实时录像，并可通过计算机原位观察。加热系统的作用则是实现在给定温度和保护气氛下的烧结，由加热坩埚以及水冷系统、气体保护系统、温控系统和电源等五部分组成，结构示意图如图 2 所示。加热坩埚位于电阻线圈中部，位置偏上，控温仪的热电偶安放在加热坩锅下方、线圈中部的位置。利用电阻线圈直接加热，加热效率高。加热台周围设计成空心环道以便通冷却水使设备降温；加热台上部也有通孔，当烧结某些易氧化材料时通入惰性气体进行保护。烧结时，可通过高温光学金相显微镜对试样表面变化的动态全过程进行实时录像，并可通过计算机原位观察为了进一步研究烧结时加热方式对烧结过程的影响，课题组还对高温光学金相显微镜的电源作了不断改进，使之不仅能实现阶梯式升温，而且能实现震荡式加热。

3试样制备

3.1 试样冷坯的制备

原位观察所用试样均采用粉末冶金法（PM）制备，主要工艺流程如图 3 所示。从烧结加热台示意图（图 2）可以发现，由于热电偶放在试样下方，因此，控温仪显示的温度并不是试样表面的温度。试样只有做得尽可能薄，才能使观察面的温度接近控温仪显示温度。为了保证试验结果的可比性，我们在制作试样时，尽量使所有试样厚度相等；由于加热台中的坩埚直径只有φ10mm，试样也必须做得直径小于 φ10mm；为了保证试验结果的可重复性和真实可靠性，我们把同一种试验材料的试样先制成 φ30×3.5mm 的冷坯，再进行切割分离、磨制后制成 φ7×3mm 的小试样，然后对每一个小试样，按照金相试样制备方法做成金相试样。

3.2金相试样的制备

随着科技的进步和发展，许多先进高端的检测设备被越来越多地应用到新材料的研制和产品检验中去。但是光学金相检验始终是最普遍最广泛的一种主要手段。在光学金相检验中金相试样的制备是获取清晰照片和正确结论的重要环节。利用光学显微镜对试样进行观察时，其观察到的信息主要来自试样表面颜色深浅的变化。我们在制作金相试样时也是依据试样表面不同区域能量的差异或不同相颜色的差异，通过腐蚀剂的作用，使其显示不同的颜色。腐蚀程度深的区域对光的散射严重，腐蚀程度浅的区域对光的散射轻微，这样，在光学显微镜下观察，颜色就有暗、亮之分，从而能分辨出试样表面的细微结构，如晶粒边界、相界、析出物等。用于原位观察的试样由于在压制冷坯时表面已经比较平整，因此，在金相试样的制备过程中只需经过砂纸细磨、抛光、腐蚀等过程。前两个过程的制备方法与一般金相试样制备并无差别，只是腐蚀过程有其自身的特殊要求。腐蚀的目的是将金属的显微组织显现出来。常用的金相组织显示法有化学腐蚀法、电解腐蚀法、金相组织特殊显示等[4]。本课题组采用的是化学腐蚀法。

在普通金相试样的腐蚀中一般经常使用氯化铁盐酸水溶液进行化学腐蚀。课题组在利用原位观察法进行烧结原位观察时发现，原位观察用的试样不能按照常规金相试样的制作方法制作，原因在于经过深度腐蚀的试样，在光学显微镜下观察，还未开始烧结时，外加硬质相颗粒颜色已经很暗，接近于黑色，以致烧结开始后无法观察颗粒表面是否已经发生了变化；如果抛光后的试样不进行腐蚀，又观察不到颗粒边界，也无法了解颗粒边界在烧结过程中的变化。课题组经过不断摸索与反复试验，针对铝基二元合金系试样，调制出浓度极低的腐蚀液，成分为：氢氟酸 1％、盐酸 1.5％、硝酸 2.5％，水 95％。腐蚀开始时，用吸管取出一滴腐蚀液，滴至试样表面 30s左右后立即用清水冲洗、擦酒精、吹干，这样腐蚀出的试样烧结时观察效果最好。此时，腐蚀后的试样只显示出颗粒在基体中的边界，颜色与基体差别不大，而基体和颗粒中的晶界则看不出来。图 4 为烧结时原位观察中截取的烧结试样照片。（a）为烧结前经轻微腐蚀后的试样。此时，可清晰地分辨出外加颗粒在基体中的轮廓。（b）为烧结10 min 时，颗粒周围发生的组织演变，其中黑色部分表明颗粒与基体间已形成共晶液相。

4 结 论

将原位观察法用于粉末冶金烧结工艺研究，能为研究人员提供实时观察条件，探究烧结过程中的烧结机理和微观组织演变过程。深化了人们对金属压坯内部结构在烧结过程中演化规律的认识，为制定合理的粉末冶金工艺或优化现行的烧结工艺提供了试验依据，为开发新型材料试验及检测方法提供了新思路。