分享：Ti3AlC2/Cu复合材料的制备与性能

陈海吉

(吉林化工学院航空工程学院,吉林 １３２１０２)

摘 要:将铜粉与不同体积分数的 Ti３AlC２ 粉体混合,采用放电等离子烧结工艺在不同温度(８５０,９００ ℃)保温２０min制备 Ti３AlC２/Cu复合材料,研究了 Ti３AlC２ 含量和烧结温度对复合材料显微组织、相对密度、硬度和摩擦磨损性能的影响.结果表明:在９００ ℃保温２０min烧结后,随Ti３AlC２ 含量的增加,其在铜基体中逐渐呈不均匀分布,复合材料的相对密度减小、硬度增大;同时,复合材料的磨损率和摩擦因数均降低,耐磨性能增强,磨损机制按照犁削磨损和黏着磨损→黏着磨损和磨粒磨损→犁削磨损和轻微黏着磨损依次转变.９００ ℃烧结所得复合材料的相对密度高于８５０ ℃烧结的,摩擦因数则低于８５０ ℃烧结的.

关键词:Ti３AlC２;铜基复合材料;放电等离子烧结;耐磨性

０ 引 言

铜基复合材料既保持了铜的高导电性、导热性及优良的工艺性能,又具有高的强度和优异的高温性能,在航空、航天、电子元件、机械等领域有着广泛的应用[１Ｇ３].目前,碳化物/铜复合材料是研究和应用较多的一种铜基复合材料,主要用作电阻焊电极材料.传统的二元碳化物增强相主要为 TiC、WC、ZrC和 VC 等,存在导电性差、尺寸粗大、易粘连等不足,而电极材料要求增强相也应具有良好的导电和导热性能.近年来,新型的三元碳化物导电陶瓷开始作为增强相用于制备铜基复合材料[４Ｇ６],这类增强相不但具有良好的导电性能、力学性能和导热性能,还具有像石墨一样良好的自润滑性能,所得铜基复合材料可用于制造电刷、滑动电触头和电动机车的集电滑板等.三元碳化物 Ti３AlC２ 的热膨胀系数和铜的接近,与 铜 复 合 后 的 界 面 性 能 良 好.罗 潇等[７]和艾桃桃等[８]以 Ti３AlC２ 为增强相,分别采用真空无 压 浸 渗 和 热 压 法 制 备 得 到 了 Ti３AlC２/Cu复合材料,但 是 这 些 制 备 方 法 的 试 验 条 件 较 为 苛刻,温 度 都 须 超 过１０００ ℃.为 此 ,作 者 以 自 制 的Ti３AlC２ 作为增强相,采用放电等离子烧结工艺在低 温下制备Ti３AlC２/Cu复合材料,研究了Ti３AlC２含量和烧结温度对复合材料性能的影响.

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试样制备

试验原 料:铜 粉,纯 度 高 于 ９９．０％,平 均 粒 径４０μm,由北京有色金属研究所提供;自制 Ti３AlC２粉体,采用机械合金化＋高温提纯法制备得到,纯度高于９３．５％,平均粒径５０μm.将 Ti３AlC２ 粉体按照体积分数分别为０,５％,

１０％,１５％,２０％,３０％和铜粉混合,在自制双罐球磨机中进行干法球磨,球料质量比为１０∶１,球磨时间为２h,轴转速为１００r??min－１.为防止原料粉体被污染,球磨混料时以氩气为保护气体.在充满氩气的手操 箱 中 将 混 合 均 匀 的 原 料 粉 体 倒 入 内 径 为１０mm的石墨模具中,在自制的放电等离子烧结设备中,以１００℃??min－１的升温速率分别加热至设定的烧结温度(８５０,９００ ℃),在２５ MPa压力压制下真空烧结２０min,真空度为９８％,得到尺 寸 为?１０ mm×３mm的纯铜和 Ti３AlC２/Cu复合材料试样.

１．２ 试验方法

用６００＃ 砂纸打磨试样表面并进行抛光处理,采用阿基米德排水法测相对密度.用 HXDＧ１０００ 型显微硬度计测试样的显微硬度,载荷为０．９８N,保载时间为１５s,测５个点取平均值.用由 FeCl３ 和HCl组 成 的 混 合 溶 液 对 试 样 表 面 进 行 腐 蚀,在Nikon３００型光学显微镜和JEMＧ２０００ 型透射电子显微镜(TEM)上观察显微组织.

在 MGＧ２０００型高温高速磨损试验机上进行销Ｇ盘式干滑动摩擦磨损试验,对磨副为经淬火加低温回火处理的 GCr１５钢制磨轮,硬度为(６２±２)HRC,滑动速度为０．６２８ m??s－１,滑动距离为３７６．８ m,磨轮转速为２００r??min－１,试验载荷为５０N,测试时间为５min.试验结束后通过所测平均摩擦力矩来计算试样的摩擦因数μ,计算公式为

μ＝M/(RN) (１)式中:M 为摩擦力矩;N 为载荷;R 为试样回转半径,取０．０３m.用精度为０．１mg的天平称取摩擦磨损试验前后试样的质量,计算磨损率,计算公式为w ＝Δm/(ρl) (２)式中:w 为磨损率;Dm 为摩擦磨损前后试样的质量差;ρ为试样密度;l为滑动距离.使用JSMＧ５６００LV 型扫描电子显微镜(SEM)观察磨损形貌.

２ 试验结果与讨论

２．１ 显微组织

由图１可以看出:未添加 Ti３AlC２ 时,９００ ℃保温２０min烧结试样的显微组织具有孪晶特征,未发现明显的微孔等缺陷;添加 Ti３AlC２ 后,暗灰色的Ti３AlC２ 增强相分布在亮灰色的铜基体中,增强相的粒度不均;当 Ti３AlC２ 的含量(体积分数,下同)为

５％时,Ti３AlC２ 增强相在铜基体中的分 布 比 较 均匀,随着 Ti３AlC２ 含量的增加,Ti３AlC２ 增强相分布的均匀性变差.

由图２可知:Ti３AlC２ 增强相为片层状结构,铜和 Ti３AlC２ 两相间的界面平直、清晰,相互扩散较少;选区电子衍射花样显示的是 Ti３AlC２(０００２)晶面的衍射斑,说明 Ti３AlC２ 在烧结过程中具有良好的稳定性,未发生分解.

２．２ 相对密度及力学性能

    未添加 Ti３AlC２ 烧结制备的纯铜试样的相对密度均大于９９．８％.由图３可以看出,烧结试样的相对密度随 Ti３AlC２ 含量的增加而减小,较高烧结温度下的相对密度较大.这是因为:随着含量的增加,Ti３AlC２ 在铜基体中逐渐呈不均匀分布,使得其与基体界面之间产生微裂纹,导致相对密度下降[９];在较高的烧结温度下,原子结合能力较强,致使孔隙率降低 而 相 对 密 度 增 大. 当 烧 结 温 度 为 ９００ ℃、

Ti３AlC２ 含量为５％时,试样的相对密度约为９９．６％,接近于完全致密.由图 ４ 可 知:不 同 温 度 烧 结 试 样 的 硬 度 均 随Ti３AlC２ 含量的增加而增大,这是因为 Ti３AlC２ 的硬度为３．５GPa,远高于铜的０．４GPa;当 Ti３AlC３含量大于５％时,９００℃烧结试样的硬度高于８５０℃烧结的,这是因为较高烧结温度下的相对密度较高;当 Ti３AlC２ 含量由２０％增至３０％时,硬度的增幅并不大,推测是由于相对密度不高且下降幅度较大而导致的.

２．３ 摩擦磨损性能

    由图５可知:随 Ti３AlC２ 含量的增加,不同温度烧结 试 样 的 磨 损 率 均 降 低,即 耐 磨 性 能 提 高;当Ti３AlC２ 含量为５％时,试样的磨损率约为纯铜(未添加 Ti３AlC２)的１/２,当 Ti３AlC２ 含量增加到３０％时,８５０℃和９００℃烧结试样的磨损率分别为２．５×１０－３,１．９×１０－３ mm３??m－１,表现出良好的耐磨性.由 图６可以看出:随着Ti３AlC２含量的增加,不同温度烧结试样的摩擦因数均降低,与磨损率的变化趋势一致,说明试样的耐磨性能增强,这是由于Ti３AlC２ 在复合材料中发挥的自润滑性作用而导致的;添加 Ti３AlC２ 后,９００ ℃烧结试样的摩擦因数低于８５０ ℃烧结试样的.由图７可以看出:未添加 Ti３AlC２ 的试样表面磨损较为严重,产生了较严重的犁沟,且磨痕附近出现塑性变形,磨损机制为犁削磨损和黏着磨损;当 Ti３AlC２ 含量为５％~１０％时,试样表面的磨痕明显平滑,但出现了一些凹坑和磨屑,其磨损机制为 黏 着 磨 损 和 磨 粒 磨 损;当 Ti３AlC２ 含 量 为１５％~３０％时,试样表面的磨痕更加平滑,凹坑和磨屑 也 很 少,磨 损 机 制 为 犁 削 磨 损 和 轻 微 黏 着磨损.

３ 结 论

    (１)在９００℃保温２０min烧结后,所得 Ti３AlC２/Cu复合材料中,Ti３AlC２ 增强相分布在铜基体中;随Ti３AlC２ 含量的增加,增强相逐渐呈不均匀分布,复合材料的相对密度减小,硬度增大.９００℃烧结所得复合材料的相对密度高于８５０ ℃烧结得到的.

    (２)在９００ ℃保温２０min烧结后,随 Ti３AlC２含量的增加,复合材料的磨损率和摩擦因数均降低,耐磨性能增强,磨损机制依次由犁削磨损和黏着磨损→黏着磨损和磨粒磨损→犁削磨损和轻微黏着磨损转变.

（文章来源：材料与测试网- 机械工程材料 > 42卷 > 8期 (pp:53-56)）