Ti3AlC2/Cu復(fù)合材料的制備與性能

(吉林化工學(xué)院航空工程學(xué)院，吉林 132102)

0 引 言

銅基復(fù)合材料既保持了銅的高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及優(yōu)良的工藝性能，又具有高的強(qiáng)度和優(yōu)異的高溫性能，在航空、航天、電子元件、機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前，碳化物/銅復(fù)合材料是研究和應(yīng)用較多的一種銅基復(fù)合材料，主要用作電阻焊電極材料。傳統(tǒng)的二元碳化物增強(qiáng)相主要為TiC、WC、ZrC和VC等，存在導(dǎo)電性差、尺寸粗大、易粘連等不足，而電極材料要求增強(qiáng)相也應(yīng)具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。近年來(lái)，新型的三元碳化物導(dǎo)電陶瓷開始作為增強(qiáng)相用于制備銅基復(fù)合材料[4-6]，這類增強(qiáng)相不但具有良好的導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，還具有像石墨一樣良好的自潤(rùn)滑性能，所得銅基復(fù)合材料可用于制造電刷、滑動(dòng)電觸頭和電動(dòng)機(jī)車的集電滑板等。三元碳化物Ti3AlC2的熱膨脹系數(shù)和銅的接近，與銅復(fù)合后的界面性能良好。羅瀟等[7]和艾桃桃等[8]以Ti3AlC2為增強(qiáng)相，分別采用真空無(wú)壓浸滲和熱壓法制備得到了Ti3AlC2/Cu復(fù)合材料，但是這些制備方法的試驗(yàn)條件較為苛刻，溫度都須超過(guò)1 000 ℃。為此，作者以自制的Ti3AlC2作為增強(qiáng)相，采用放電等離子燒結(jié)工藝在低溫下制備Ti3AlC2/Cu復(fù)合材料，研究了Ti3AlC2含量和燒結(jié)溫度對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

圖1 添加不同含量Ti3AlC2并在900 ℃保溫20 min燒結(jié)后試樣的顯微組織Fig.1 Microstructures of samples sintered at 900 ℃ for 20 min with different content of Ti3AlC2

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料：銅粉，純度高于99.0%，平均粒徑40 μm，由北京有色金屬研究所提供；自制Ti3AlC2粉體，采用機(jī)械合金化+高溫提純法制備得到，純度高于93.5%，平均粒徑50 μm。

將Ti3AlC2粉體按照體積分?jǐn)?shù)分別為0,5%，10%，15%，20%，30%和銅粉混合，在自制雙罐球磨機(jī)中進(jìn)行干法球磨，球料質(zhì)量比為10∶1，球磨時(shí)間為2 h，主軸轉(zhuǎn)速為100 r·min-1。為防止原料粉體被污染，球磨混料時(shí)以氬氣為保護(hù)氣體。在充滿氬氣的手操箱中將混合均勻的原料粉體倒入內(nèi)徑為10 mm 的石墨模具中，在自制的放電等離子燒結(jié)設(shè)備中，以100 ℃·min-1的升溫速率分別加熱至設(shè)定的燒結(jié)溫度(850，900 ℃)，在25 MPa壓力壓制下真空燒結(jié)20 min，真空度為98%，得到尺寸為φ10 mm×3 mm 的純銅和Ti3AlC2/Cu復(fù)合材料試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

用600#砂紙打磨試樣表面并進(jìn)行拋光處理，采用阿基米德排水法測(cè)相對(duì)密度。用HXD-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)試樣的顯微硬度，載荷為0.98 N，保載時(shí)間為15 s，測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。用由FeCl3和HCl組成的混合溶液對(duì)試樣表面進(jìn)行腐蝕，在Nikon300型光學(xué)顯微鏡和JEM-2000型透射電子顯微鏡(TEM)上觀察顯微組織。

在MG-2000型高溫高速磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行銷-盤式干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨副為經(jīng)淬火加低溫回火處理的GCr15鋼制磨輪，硬度為(62±2) HRC，滑動(dòng)速度為0.628 m·s-1，滑動(dòng)距離為376.8 m，磨輪轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，試驗(yàn)載荷為50 N，測(cè)試時(shí)間為5 min。試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)所測(cè)平均摩擦力矩來(lái)計(jì)算試樣的摩擦因數(shù)μ，計(jì)算公式為

μ=M/(RN)(1)

式中：M為摩擦力矩；N為載荷；R為試樣回轉(zhuǎn)半徑，取0.03 m。

用精度為0.1 mg的天平稱取摩擦磨損試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量，計(jì)算磨損率，計(jì)算公式為

w=Δm/(ρl)(2)

式中：w為磨損率；m為摩擦磨損前后試樣的質(zhì)量差；ρ為試樣密度；l為滑動(dòng)距離。

使用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可以看出：未添加Ti3AlC2時(shí)，900 ℃保溫20 min燒結(jié)試樣的顯微組織具有孿晶特征，未發(fā)現(xiàn)明顯的微孔等缺陷；添加Ti3AlC2后，暗灰色的Ti3AlC2增強(qiáng)相分布在亮灰色的銅基體中，增強(qiáng)相的粒度不均；當(dāng)Ti3AlC2的含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)為5%時(shí)，Ti3AlC2增強(qiáng)相在銅基體中的分布比較均勻，隨著Ti3AlC2含量的增加，Ti3AlC2增強(qiáng)相分布的均勻性變差。

由圖2可知:Ti3AlC2增強(qiáng)相為片層狀結(jié)構(gòu)，銅和Ti3AlC2兩相間的界面平直、清晰，相互擴(kuò)散較少；選區(qū)電子衍射花樣顯示的是Ti3AlC2(0002)晶面的衍射斑，說(shuō)明Ti3AlC2在燒結(jié)過(guò)程中具有良好的穩(wěn)定性，未發(fā)生分解。

圖2 添加15%Ti3AlC2并在900 ℃保溫20 min燒結(jié)后試樣的TEM形貌Fig.2 TEM micrograph of the sample sintered at 900 ℃ for 20 min with 15vol% Ti3AlC2

圖3 不同溫度保溫20 min燒結(jié)試樣的相對(duì)密度隨Ti3AlC2含量的變化曲線Fig.3 Relative density vs Ti3AlC2 content curves of samples sintered at different temperatures for 20 min

2.2 相對(duì)密度及力學(xué)性能

未添加Ti3AlC2燒結(jié)制備的純銅試樣的相對(duì)密度均大于99.8%。由圖3可以看出，燒結(jié)試樣的相對(duì)密度隨Ti3AlC2含量的增加而減小，較高燒結(jié)溫度下的相對(duì)密度較大。這是因?yàn)椋弘S著含量的增加，Ti3AlC2在銅基體中逐漸呈不均勻分布，使得其與基體界面之間產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致相對(duì)密度下降[9]；在較高的燒結(jié)溫度下，原子結(jié)合能力較強(qiáng)，致使孔隙率降低而相對(duì)密度增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為900 ℃、Ti3AlC2含量為5%時(shí)，試樣的相對(duì)密度約為99.6%，接近于完全致密。

由圖4可知:不同溫度燒結(jié)試樣的硬度均隨Ti3AlC2含量的增加而增大，這是因?yàn)門i3AlC2的硬度為3.5 GPa，遠(yuǎn)高于銅的0.4 GPa；當(dāng)Ti3AlC3含量大于5%時(shí)，900 ℃燒結(jié)試樣的硬度高于850 ℃燒結(jié)的，這是因?yàn)檩^高燒結(jié)溫度下的相對(duì)密度較高；當(dāng)Ti3AlC2含量由20%增至30%時(shí)，硬度的增幅并不大，推測(cè)是由于相對(duì)密度不高且下降幅度較大而導(dǎo)致的。

圖4 不同溫度保溫20 min燒結(jié)試樣的硬度隨Ti3AlC2含量的變化曲線Fig.4 Hardness vs Ti3AlC2 content curves of samples sintered at different temperatures for 20 min

2.3 摩擦磨損性能

由圖5可知：隨Ti3AlC2含量的增加，不同溫度燒結(jié)試樣的磨損率均降低，即耐磨性能提高；當(dāng)Ti3AlC2含量為5%時(shí)，試樣的磨損率約為純銅(未添加Ti3AlC2)的1/2，當(dāng)Ti3AlC2含量增加到30%時(shí)，850 ℃和900 ℃燒結(jié)試樣的磨損率分別為2.5×10-3，1.9×10-3mm3·m-1，表現(xiàn)出良好的耐磨性。

由圖6可以看出：隨著Ti3AlC2含量的增加，不同溫度燒結(jié)試樣的摩擦因數(shù)均降低，與磨損率的變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明試樣的耐磨性能增強(qiáng)，這是由于Ti3AlC2在復(fù)合材料中發(fā)揮的自潤(rùn)滑性作用而導(dǎo)致的；添加Ti3AlC2后，900 ℃燒結(jié)試樣的摩擦因數(shù)低于850 ℃燒結(jié)試樣的。

圖5 不同溫度保溫20 min燒結(jié)試樣的磨損率隨Ti3AlC2含量的變化曲線Fig.5 Wear rate vs Ti3AlC2 content curves of samples sintered at different temperatures for 20 min

圖6 不同溫度保溫20 min燒結(jié)試樣的摩擦因數(shù)隨Ti3AlC2含量的變化曲線Fig.6 Friction coefficient vs Ti3AlC2 content curves of samples sintered at different temperatures for 20 min

由圖7可以看出：未添加Ti3AlC2的試樣表面磨損較為嚴(yán)重，產(chǎn)生了較嚴(yán)重的犁溝，且磨痕附近出現(xiàn)塑性變形，磨損機(jī)制為犁削磨損和黏著磨損；當(dāng)Ti3AlC2含量為5%～10%時(shí)，試樣表面的磨痕明顯平滑，但出現(xiàn)了一些凹坑和磨屑，其磨損機(jī)制為黏著磨損和磨粒磨損；當(dāng)Ti3AlC2含量為15%～30%時(shí)，試樣表面的磨痕更加平滑，凹坑和磨屑也很少，磨損機(jī)制為犁削磨損和輕微黏著磨損。

圖7 添加不同含量Ti3AlC2后900 ℃保溫20 min燒結(jié)試樣的磨損形貌Fig.7 Wear morphology of samples sintered at 900 ℃ for 20 min with different content of Ti3AlC2

3 結(jié) 論

(1) 在900 ℃保溫20 min燒結(jié)后，所得Ti3AlC2/Cu復(fù)合材料中，Ti3AlC2增強(qiáng)相分布在銅基體中；隨Ti3AlC2含量的增加，增強(qiáng)相逐漸呈不均勻分布，復(fù)合材料的相對(duì)密度減小，硬度增大。900 ℃燒結(jié)所得復(fù)合材料的相對(duì)密度高于850 ℃燒結(jié)得到的。

(2) 在900 ℃保溫20 min燒結(jié)后，隨Ti3AlC2含量的增加，復(fù)合材料的磨損率和摩擦因數(shù)均降低，耐磨性能增強(qiáng)，磨損機(jī)制依次由犁削磨損和黏著磨損→黏著磨損和磨粒磨損→犁削磨損和輕微黏著磨損轉(zhuǎn)變。