Ti2AlC-Cu復(fù)合材料的制備表征及其摩擦磨損行為研究.pdf

1、三元層狀陶瓷MAX相化合物（其中， M為過(guò)渡金屬元素， A主要為Ⅲ和Ⅳ族元素，X為C或N），因其獨(dú)特的化學(xué)鍵合而同時(shí)具備金屬和陶瓷的性質(zhì)，如高模量，優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，微觀塑性變形能力及高的損傷容限。又因其層狀結(jié)構(gòu)而具備一定程度的自潤(rùn)滑性能，使其成為結(jié)構(gòu)及功能應(yīng)用的潛在材料并在電摩擦領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景。最近的科學(xué)研究表明，以三元層狀陶瓷作為增強(qiáng)體可以明顯改善金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能和摩擦磨損性能。而且目前已經(jīng)有關(guān)于三元層狀陶瓷增強(qiáng)金屬

2、基復(fù)合材料應(yīng)用于高速鐵路受電弓滑板及氣箔軸承的研究報(bào)道。同時(shí)，關(guān)于三元層狀陶瓷的摩擦磨損行為研究也逐漸展開(kāi)，并取得一定進(jìn)展。
　　Ti2AlC作為MAX相化合物中211相的典型代表，在繼承三元層狀陶瓷獨(dú)特性能的同時(shí)，還具有MAX相材料中最低的密度，以及優(yōu)良的抗氧化性能。但關(guān)于其增強(qiáng)金屬基材料的制備表征及Ti2AlC塊體材料摩擦磨損行為研究的報(bào)道還非常有限。本文將以燃燒合成法自制的Ti2AlC為增強(qiáng)體，以電摩擦領(lǐng)域常用的金屬Cu為基

3、體制備復(fù)合材料，研究其顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及摩擦磨損行為等，另外還將單獨(dú)研究Ti2AlC的摩擦磨損行為。主要開(kāi)展以下幾方面工作：
　　首先研究Ti2AlC在Cu中的穩(wěn)定性：通過(guò)在不同溫度下制備Ti2AlC/Cu復(fù)合材料，研究其物相組成及組織形貌，確定制備Ti2AlC顆粒增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料的熱壓溫度。Ti2AlC和金屬Cu在800℃發(fā)生反應(yīng)，在950℃，Ti2AlC完全分解為T(mén)iC，Al向基體中擴(kuò)散的同時(shí)Cu也向逐漸分解的Ti2AlC

4、層間擴(kuò)散形成兩種成分的疊層組織，對(duì)其壓縮性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變使其力學(xué)性能得到明顯提升。綜合考慮確定制備復(fù)合材料的最佳溫度為800℃。
　　在800℃下制備了不同Ti2AlC含量的Ti2AlC/Cu復(fù)合材料，Ti2AlC的體積分?jǐn)?shù)在5-30％vol.%之間。在對(duì)其力學(xué)性能、電學(xué)性能及摩擦磨損行為等的研究中發(fā)現(xiàn)， Ti2AlC的加入對(duì)金屬Cu的拉伸和壓縮性能提升明顯，復(fù)合材料導(dǎo)電性損失較小，同時(shí)其摩擦磨損性能也十分優(yōu)異。Ti2AlC

5、含量較低時(shí)（5%~15%），復(fù)合材料在與軸承鋼對(duì)磨的情況下摩擦系數(shù)及磨損率均處于極低的水平，但隨著Ti2AlC含量進(jìn)一步增加，由于磨粒磨損的加劇，摩擦磨損性能出現(xiàn)一定程度的惡化。
　　在對(duì)Ti2AlC的摩擦磨損行為研究中，分別采用了GCr15和Al2O3配副，并考察了真空度和速度載荷條件的影響。大氣環(huán)境下，隨著滑動(dòng)速度的增加、表面氧化物膜的出現(xiàn)和磨合，其摩擦系數(shù)及磨損率均大幅下降，分別可低至0.25（GCr15）和0.46（Al2

6、O3），但在低速下出現(xiàn)層狀剝落并引起比較嚴(yán)重的磨損，為這是Al原子在一定的速度載荷條件下的氧化脫出導(dǎo)致的。
　　在對(duì)不同真空條件下的摩擦磨損行為研究中發(fā)現(xiàn)，隨著真空度的下降，摩擦系數(shù)出現(xiàn)先下降再上升的情況，其最低值分別為0.19（GCr15）和0.42（Al2O3），甚至低于氧化物膜潤(rùn)滑條件下的水平。這可能與Al原子氧化導(dǎo)致Ti2AlC層間滑動(dòng)相關(guān)，而磨損率隨真空條件的變化則比較復(fù)雜，磨損率只與真空度條件相關(guān)而與滑動(dòng)速度的相關(guān)性較