SPS原位制備Ti（C，N）/ TC4復(fù)合材料的組織和性能研究

張 蘭，陳梓軒，馬會(huì)中，張紀(jì)東

（鄭州大學(xué)，鄭州 450000）

TC4合金為 （α+β）型鈦合金，由于其高比強(qiáng)度以及易于成形等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)/汽車殼體、板材以及各類緊固件[1–4]。TC4鈦合金使用量占所有鈦合金的一半以上，是目前世界上使用范圍最廣、用量最大的鈦合金材料[5]。但是硬度較低，耐磨不足等缺點(diǎn)限制了其發(fā)展[6]。

陶瓷相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是一種有效結(jié)合了金屬基體優(yōu)秀的韌性以及陶瓷相優(yōu)異的剛度的新型復(fù)合材料，在各方面都表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)合金的性能。鈦基復(fù)合材料是以鈦和鈦合金為基體，其他金屬或非金屬相作為增強(qiáng)相的復(fù)合材料，同時(shí)兼具了鈦的低密度、高比強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐摩擦以及增強(qiáng)相的高硬度等優(yōu)點(diǎn)[7]，且通過(guò)原位合成法制備的增強(qiáng)相顆粒擁有更好的界面和穩(wěn)定性[8]。因此鈦基復(fù)合材料在航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域擁有極大的潛力。常用于增強(qiáng)鈦基的陶瓷相有SiC、Al2O3、TiC、TiB、TiN等[9–11]。

TiC擁有與鈦相似的密度和熱膨脹系數(shù)，被認(rèn)為是鈦基最合適的增強(qiáng)相，且TiC本身的高硬度、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，恰好可以彌補(bǔ)鈦基硬度低、不耐磨的缺點(diǎn)。Wu等[12]通過(guò)激光合金化技術(shù)在Ti–6Al–4V基體上原位制備了TiC復(fù)合涂層，使基體的耐磨性能得到顯著提升。胡滿銀等[13]以碳納米管為原料，利用微波燒結(jié)技術(shù)制備TiC增強(qiáng)鈦復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的復(fù)合材料時(shí)，摩擦系數(shù)下降了0.4，磨損類型由黏著磨損變?yōu)槟チＤp。Zhang等[14]利用SPS技術(shù)以石墨烯為碳源原位制備出TiC/Ti復(fù)合材料，其抗壓極限強(qiáng)度和抗壓屈服強(qiáng)度分別為2.64 GPa與1.93 GPa，超過(guò)世界上多數(shù)先進(jìn)鈦合金材料。Ti（C，N）在TiC基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，由N原子在原TiC晶格中任意比例替換原有的C原子形成。在高溫時(shí)，Ti（C，N）的抗氧化、耐摩擦、硬度以及斷裂強(qiáng)度均高于TiC[15]。

目前對(duì)原位法制備Ti（C，N）增強(qiáng)相的相關(guān)研究較少，本文以g–C3N4為氮源和碳源，利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，通過(guò)原位合成法制備Ti（C，N）/TC4復(fù)合材料，并研究了添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)g–C3N4對(duì)復(fù)合材料的微觀形貌、硬度、摩擦系數(shù)以及磨損量的影響。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試樣制備

本文試驗(yàn)材料采用北京興榮源公司氫化脫氫法制備的TC4合金粉末和實(shí)驗(yàn)室自制的g–C3N4粉末。TC4合金粉末的平均粒度為45 μm，純度為99.5%。

g–C3N4粉末制備采用熱縮聚雙氰胺的方法。將10 g雙氰胺置于帶蓋的剛玉坩堝中，勻速升溫至540 ℃，并保溫2 h，隨爐冷卻后得到淡黃色固體，用瑪瑙研缽研磨后得到g–C3N4粉末，所制備粉末的表面形貌與成分分析如圖1所示。

圖1 g–C3N4粉末表面形貌與成分分析Fig.1 Surface morphology and composition analysis of g–C3N4 powder

SPS燒結(jié)前，使用高能球磨機(jī)將兩種粉末均勻混合。稱取一定量的TC4合金粉、g–C3N4粉和不銹鋼球放入不銹鋼球磨罐中，球料比5∶1，轉(zhuǎn)速200 r/min，每4 g粉末加入1 mL無(wú)水乙醇作為過(guò)程控制劑，球磨3 h，每0.5 h停機(jī)10 min。球磨后將粉末置于干燥箱中60 ℃干燥12 h，充分干燥后再將粉末置于球磨罐中干磨2 h，球料比與之前相同。將混合后的粉末置入直徑30 mm的石墨模具中，在放電等離子燒結(jié)機(jī)中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：升溫速率100 ℃/min，燒結(jié)溫度1100 ℃，燒結(jié)壓力50 MPa，保溫時(shí)間8 min，隨爐冷卻。

1.2 物相分析與性能測(cè)試方法

燒結(jié)試樣經(jīng)過(guò)砂紙逐級(jí)打磨后，用拋光機(jī)拋光。配制含3% HF與6%NHO3的試劑，對(duì)試樣表面腐蝕5 s后進(jìn)行電鏡觀測(cè)。用聚焦離子束掃描電子顯微鏡 （FIB–SEM）和能量色散譜儀（EDS）觀察Ti（C，N）/TC4復(fù)合材料的微觀形貌特征和元素含量；用Empyrean X射線衍射系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，掃描速度0.2°/s，掃描角度為20°～90°；使用上海離子束泰明光學(xué)儀器有限公司的HXD–1000TMC型顯微硬度計(jì)測(cè)試復(fù)合材料的顯微硬度，載荷0.98 N，保荷15 s，每個(gè)試樣測(cè)量6個(gè)點(diǎn)取平均值；使用MS–T3000摩擦磨損試驗(yàn)儀，進(jìn)行磨損并測(cè)量摩擦系數(shù)，摩擦副選用φ4 mm的氧化鋯球，摩擦軌跡直徑8 mm，摩擦轉(zhuǎn)速200 r/min，試驗(yàn)載荷300 g，磨損時(shí)間20 min；使用MFT–4000多功能材料表面性能試驗(yàn)儀測(cè)量磨痕截面積，選用120°金剛石錐頭，每個(gè)試樣測(cè)量6個(gè)不同位置取平均值，計(jì)算磨損量。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末特征

球磨后的TC4合金粉末與混合粉末見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，圖2（a）原始粉末為不規(guī)則狀，表面光滑顆粒分明，圖2（b）為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的g–C3N4粉末球磨后的SEM圖，粉末未發(fā)生明顯變形，g–C3N4粉末呈顆粒狀黏著在TC4合金粉末表面。

為了確定球磨后粉末成分進(jìn)行XRD測(cè)試，圖3為分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、1%、3%、5%、7% g–C3N4球磨后粉末的XRD圖，可以看出，高能球磨后的粉末中只存在原始粉末的衍射峰，這是由于添加g–C3N4粉末較少未能檢測(cè)出，并且在球磨過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)（如氧化或生成TiC與Ti（C，N））。

圖3 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)g–C3N4粉末球磨后的XRD圖Fig.3 XRD pattern of powder adding g–C3N4 with different mass fractions after ball milling

2.2 物相分析

不同g–C3N4粉末添加量燒結(jié)試樣X(jué)RD圖見(jiàn)圖4，復(fù)合材料衍射峰主要有α–Ti，Ti（C，N）以及少量的β–Ti。隨著g–C3N4粉末添加量的不斷提升，Ti（C，N）的衍射峰不斷增強(qiáng)，而Ti的衍射峰不斷減弱，這是由于在燒結(jié)過(guò)程中一部分Ti與g–C3N4發(fā)生反應(yīng)生成Ti（C，N）與少量TiC導(dǎo)致的。

圖4 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)g–C3N4粉末燒結(jié)試樣X(jué)RD圖譜Fig.4 XRD patterns of sintered samples with different mass fractions of added g–C3N4 powder

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)g–C3N4添加量的燒結(jié)試樣SEM圖見(jiàn)圖5。原位生成的Ti（C，N）都在晶界上，隨著g–C3N4添加量的增加原位生成的Ti（C，N）也在不斷增加。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%g–C3N4時(shí)，由于g–C3N4易于團(tuán)聚，有部分區(qū)域生成了過(guò)量的Ti（C，N）。晶粒生長(zhǎng)是由于晶界遷移，SPS燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體使TC4合金粉末顆粒表面活化，晶界遷移速度變快，純TC4晶界遷移過(guò)程中沒(méi)有阻礙，生成的晶粒更大。隨著g–C3N4添加量不斷增加，生成的Ti（C，N）在不斷增加，Ti（C，N）的生成起到了扎釘?shù)淖饔?，阻礙了晶界遷移，所以得到的晶粒更加細(xì)小，起到了細(xì)化晶粒的作用。將SEM圖與XRD圖譜對(duì)比可以確定，燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)生成了Ti（C，N）。

圖5 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)g–C3N4粉末的復(fù)合材料SEM圖Fig.5 SEM image of composites with different mass fractions of added g-C3N4 powder

Ti（C，N）相圖與元素分布見(jiàn)圖6。由于N元素Kα線系與Ti的L1線系能量相差只有0.003 keV，在對(duì)N元素定量分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏差[16]。由EDS圖可看出，BSE圖中灰色與黑色部分均含有大量C元素。N元素定量分析雖然存在干擾，但可以清晰看出大部分集中在灰色部分。在背散射中，原子序數(shù)越高的區(qū)域顏色越亮，結(jié)合EDS圖可以確定，灰色部分為Ti基底，深灰色部分與黑色部分均為Ti（C，N），其中黑色部分所含C與N元素比值較大。

圖6 Ti（C，N）顆粒BSE圖與EDS圖Fig.6 BSE image and EDS image of Ti(C, N) phase

2.3 性能測(cè)試

圖7為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)g–C3N4燒結(jié)試樣的顯微硬度以及摩擦系數(shù)?？梢钥闯?，隨著g–C3N4添加量的不斷增加，復(fù)合材料的顯微硬度得到了顯著提升。燒結(jié)純TC4合金的顯微硬度為434.68HV。添加7%質(zhì)量分?jǐn)?shù)g–C3N4時(shí)復(fù)合材料硬度達(dá)到了717.33HV，相較于純TC4提升了65%。這是由于燒結(jié)過(guò)程中生成的Ti（C，N）硬度很高，與基體結(jié)合界面較好，可以有效地承載外力。其在試樣中呈近似網(wǎng)格狀分布使得承載面積更大。當(dāng)試樣在受到壓力變形時(shí)，硬質(zhì)的Ti（C，N）承擔(dān)了大部分的應(yīng)力并且阻礙應(yīng)力向周圍擴(kuò)散，這就使得復(fù)合材料顯微硬度顯著提高。

圖8為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)g–C3N4燒結(jié)試樣摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間變化圖，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% g–C3N4以下時(shí)，摩擦系數(shù)曲線十分平緩，說(shuō)明復(fù)合材料耐摩擦性能較為穩(wěn)定，其中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% g–C3N4時(shí)摩擦系數(shù)波動(dòng)最小，說(shuō)明此時(shí)摩擦穩(wěn)定性最優(yōu)。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)7% g–C3N4時(shí)，摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)增大，且有隨時(shí)間增加逐漸上升的趨勢(shì)。

不同g–C3N4添加量對(duì)復(fù)合材料平均摩擦系數(shù)與磨損量的影響見(jiàn)圖7（b）。摩擦系數(shù)與磨損量均有隨著g–C3N4添加量的增加先減少后增大的趨勢(shì)。SPS制備的純TC4鈦合金摩擦系數(shù)與磨損量分別為0.3689與0.146 mm3，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% g–C3N4時(shí)摩擦系數(shù)與磨損量達(dá)到最低，分別為0.2608與0.056 mm3，相較于純TC4性能分別提升了29.3%與61.6%，但是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)7% g–C3N4時(shí)摩擦系數(shù)與磨損量有所上升。隨著g–C3N4的添加，試樣中生成的Ti（C，N）不斷增多，磨損初始階段部分鈦合金基體被磨掉使Ti（C，N）顆粒裸露形成凸起，如圖9所示，此時(shí)硬度大、耐磨性好的Ti（C，N）可以有效抵抗法向力，且硬度的提升使磨球摩擦?xí)r試樣變形更小，阻礙磨球與較軟的鈦合金基體接觸，防止了鈦合金基體進(jìn)一步被磨損。同時(shí)磨損時(shí)產(chǎn)生的局部高溫容易形成黏結(jié)點(diǎn)并隨摩擦撕裂，撕裂后的碎屑不易排出會(huì)產(chǎn)生三體磨粒磨損[17]，而Ti（C，N）顆粒凸起部位周圍可以有效收集磨屑使三體磨粒磨損減弱。但是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的g–C3N4時(shí)，由于部分g–C3N4粉末的團(tuán)聚，導(dǎo)致部分區(qū)域生成過(guò)量的Ti（C，N），此時(shí)的燒結(jié)工藝已經(jīng)不能使這些區(qū)域足夠致密，因此沒(méi)有完全燒結(jié)成型導(dǎo)致Ti（C，N）與基體結(jié)合性變差，在磨損時(shí)更容易被磨出，并且硬質(zhì)的Ti（C，N）在磨球與基體之間摩擦形成嚴(yán)重的三體磨粒磨損，導(dǎo)致摩擦系數(shù)與磨損量上升。

圖7 g–C3N4添加量對(duì)復(fù)合材料顯微硬度以及摩擦系數(shù)和磨損量的影響Fig.7 Effects of g-C3N4 addition on microhardness, friction coefficient and wear loss of composites

圖8 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)g–C3N4時(shí)復(fù)合材料的摩擦系數(shù)與磨損時(shí)間關(guān)系圖Fig.8 Relationship between friction coefficient and wear time of composites with different mass fractions of added g-C3N4

圖9 添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% g–C3N4時(shí)磨損后復(fù)合材料Fig.9 Composite added g–C3N4 with mass fraction of 5% after being worn

3 結(jié)論

（1）在燒結(jié)溫度1100 ℃下可以使g–C3N4與Ti發(fā)生原位反應(yīng)制備Ti（C，N）/TC4復(fù)合材料，反應(yīng)產(chǎn)物主要為Ti（C，N）與少量TiC，生成的Ti（C，N）呈顆粒狀，整體呈類網(wǎng)格狀分布，特殊的分布形式可以使復(fù)合材料的性能得到進(jìn)一步提升。

（2）隨著g–C3N4添加量增加，材料的顯微硬度不斷提升，摩擦性能先上升后下降。綜合評(píng)估硬度與摩擦性能，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% g–C3N4所制備的復(fù)合材料具有較高的硬度與優(yōu)秀的耐摩擦性能，顯微硬度、摩擦系數(shù)與磨損量分別為627.68HV、0.2608與0.056 mm3，相較于純TC4燒結(jié)試樣性能分別提升了44.4%、29.3%與61.6%。