Ti3AlC2-ZA27復(fù)合材料的制備及性能研究.pdf

1、本論文以三元層狀化合物Mn+1AXn陶瓷為增強(qiáng)相成功制備了新型高性能鋅鋁基復(fù)合材料，并對其制備工藝以及力學(xué)性能、摩擦磨損性能等應(yīng)用基礎(chǔ)問題進(jìn)行了深入的研究與分析。全文分六章分別闡述了鋅鋁基復(fù)合材料的研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀、三元層狀陶瓷Ti3AlC2與鋅鋁合金ZA27的反應(yīng)機(jī)理、Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的制備及其基本性能的測試與分析、應(yīng)用條件下Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的摩擦磨損特性的測定及分析，以及不同Mn+1AXn增強(qiáng)相(T

2、i3AlC2、Ti3SiC2和Ti2SnC)對鋅鋁基復(fù)合材料組織與性能的影響。論文取得以下主要結(jié)論:
　　1、采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)以及無壓燒結(jié)-加壓致密化兩步燒結(jié)工藝制備了Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料。物相分析發(fā)現(xiàn)，在本實驗條件下，燒結(jié)溫度低于800℃時，復(fù)合材料內(nèi)部無反應(yīng)發(fā)生;而當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到870℃，且在鋅鋁合金液的促進(jìn)作用下，Ti3AlC2顆粒與ZA27基體的界面處發(fā)生了微弱的化學(xué)反應(yīng)，生成Al0.64Ti036、Ti

3、C和Al相，其反應(yīng)式為:Ti3AlC2ZA27(l)→Al0.64Ti0.36+TiC+Al。
　　2、機(jī)械合金化球磨混料可大大降低Ti3AlC2顆粒增強(qiáng)相的尺寸，提高增強(qiáng)顆粒彌散強(qiáng)化的效果。微觀分析發(fā)現(xiàn)Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料中含有大量30～50nm的Ti3AlC2顆粒，這是其性能得以提高的重要因素之一。
　　3、燒結(jié)工藝對Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的性能有很大影響。本實驗范圍內(nèi)，無壓燒結(jié)工藝的最佳燒結(jié)制度為

4、:燒結(jié)溫度870℃，保溫時間2.5h;無壓燒結(jié)-加壓致密化兩步燒結(jié)工藝的最佳燒結(jié)制度為:燒結(jié)溫度870℃，保溫1h后降溫到500℃并施加30MPa的壓力，保溫保壓1.5h。綜合考慮材料的各項性能，兩步燒結(jié)法為制備Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的最優(yōu)工藝。
　　4、增強(qiáng)相含量對Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的性能影響顯著。對于兩步燒結(jié)工藝制備的Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料，在Ti3AlC2含量為10～40vol.％范圍內(nèi)，隨

5、著Ti3AlC2含量增加，Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的力學(xué)性能呈先升后降的趨勢，在Ti3AlC2含量為30vol.％時復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和維氏硬度均達(dá)到最大值，分別為335MPa，570MPa和1204MPa。
　　5、在ZA27合金中添加Ti3AlC2顆粒增強(qiáng)相能有效提高復(fù)合材料的摩擦磨損性能，降低摩擦過程中的溫升。隨著Ti3AlC2含量的增加，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)先減小后增大，當(dāng)Ti3AlC2含量為30vol.％

6、時，復(fù)合材料表現(xiàn)出最優(yōu)的摩擦學(xué)特性。在對磨材料為45＃鋼，滑動速度為3m/s、法向壓強(qiáng)0.5MPa、油潤滑的實驗條件下，與ZA27基體相比，30vol.％Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的摩擦系數(shù)降低了43％、磨損率降低了33％。對于同一組分的Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料，其摩擦系數(shù)隨法向壓強(qiáng)的增大呈下降趨勢，而磨損率隨法向壓強(qiáng)的增大呈上升趨勢，且相對于ZA27基體材料，Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的摩擦系數(shù)對載荷波動的敏感性更

7、小，摩擦性能更穩(wěn)定。
　　6、三種Mn+1AXn增強(qiáng)相(Ti3AlC2、Ti3SiC2和Ti2SnC)對于提高鋅鋁合金的性能具有相似的作用，但由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性略有差異，因而對Mn+1AXn/ZA27復(fù)合材料的界面反應(yīng)及其性能改善效果產(chǎn)生一定影響。對于兩步燒結(jié)法制備的30vol.％Mn+1AXn/ZA27復(fù)合材料，增強(qiáng)相Ti2SnC在燒結(jié)溫度870℃C下完全發(fā)生了反應(yīng)，Ti3AlC2部分發(fā)生反應(yīng)，而Ti3SiC2沒有發(fā)生反應(yīng)。對比Z

8、A27基體材料及三種30vol.％Mn+1AXn/ZA27復(fù)合材料的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，Mn+1AXn相顆粒的加入使得ZA27合金的力學(xué)性能和摩擦磨損性能均得到明顯提高，三種復(fù)合材料中，Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐磨性最優(yōu)，Ti2SnC/ZA27復(fù)合材料的力學(xué)性能最差，Ti3SiC2/ZA27復(fù)合材料的耐磨性最差。
　　本論文的主要創(chuàng)新成果如下:
　　1、選用與鋅鋁合金ZA27匹配性良好的Ti3AlC2為增強(qiáng)相，

9、首次研制出具有優(yōu)良力學(xué)性能和摩擦磨損性能的Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料，并對復(fù)合材料組分、制備方法及工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。
　　2、發(fā)現(xiàn)了Ti3AlC2增強(qiáng)相與ZA27之間存在1-2nm厚度的界面層，現(xiàn)象表明該界面層的存在與Ti3AlC2/ZA27復(fù)合材料力學(xué)性能的提高有直接關(guān)系。
　　3、探索了Ti3AlC2、Ti3SiC2和Ti2SnC三種Mn+1AXn相增強(qiáng)的ZA27復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能的差異。研究表明，Ti