Ti3AlC2/Cu復合材料的制備與性能

(吉林化工學院航空工程學院，吉林 132102)

0 引 言

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

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 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

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

1.2 試驗方法

用600#砂紙打磨試樣表面并進行拋光處理，采用阿基米德排水法測相對密度。用HXD-1000型顯微硬度計測試樣的顯微硬度，載荷為0.98 N，保載時間為15 s，測5個點取平均值。用由FeCl3和HCl組成的混合溶液對試樣表面進行腐蝕，在Nikon300型光學顯微鏡和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機上進行銷-盤式干滑動摩擦磨損試驗，對磨副為經淬火加低溫回火處理的GCr15鋼制磨輪，硬度為(62±2) HRC，滑動速度為0.628 m·s-1，滑動距離為376.8 m，磨輪轉速為200 r·min-1，試驗載荷為50 N，測試時間為5 min。試驗結束后通過所測平均摩擦力矩來計算試樣的摩擦因數μ，計算公式為

μ=M/(RN)(1)

式中：M為摩擦力矩；N為載荷；R為試樣回轉半徑，取0.03 m。

用精度為0.1 mg的天平稱取摩擦磨損試驗前后試樣的質量，計算磨損率，計算公式為

w=Δm/(ρl)(2)

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

使用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

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

由圖2可知:Ti3AlC2增強相為片層狀結構，銅和Ti3AlC2兩相間的界面平直、清晰，相互擴散較少；選區電子衍射花樣顯示的是Ti3AlC2(0002)晶面的衍射斑，說明Ti3AlC2在燒結過程中具有良好的穩定性，未發生分解。

圖2 添加15%Ti3AlC2并在900 ℃保溫20 min燒結后試樣的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燒結試樣的相對密度隨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 相對密度及力學性能

未添加Ti3AlC2燒結制備的純銅試樣的相對密度均大于99.8%。由圖3可以看出，燒結試樣的相對密度隨Ti3AlC2含量的增加而減小，較高燒結溫度下的相對密度較大。這是因為：隨著含量的增加，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生微裂紋，導致相對密度下降[9]；在較高的燒結溫度下，原子結合能力較強，致使孔隙率降低而相對密度增大。當燒結溫度為900 ℃、Ti3AlC2含量為5%時，試樣的相對密度約為99.6%，接近于完全致密。

由圖4可知:不同溫度燒結試樣的硬度均隨Ti3AlC2含量的增加而增大，這是因為Ti3AlC2的硬度為3.5 GPa，遠高于銅的0.4 GPa；當Ti3AlC3含量大于5%時，900 ℃燒結試樣的硬度高于850 ℃燒結的，這是因為較高燒結溫度下的相對密度較高；當Ti3AlC2含量由20%增至30%時，硬度的增幅并不大，推測是由于相對密度不高且下降幅度較大而導致的。

圖4 不同溫度保溫20 min燒結試樣的硬度隨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，不同溫度燒結試樣的磨損率均降低，即耐磨性能提高；當Ti3AlC2含量為5%時，試樣的磨損率約為純銅(未添加Ti3AlC2)的1/2，當Ti3AlC2含量增加到30%時，850 ℃和900 ℃燒結試樣的磨損率分別為2.5×10-3，1.9×10-3mm3·m-1，表現出良好的耐磨性。

由圖6可以看出：隨著Ti3AlC2含量的增加，不同溫度燒結試樣的摩擦因數均降低，與磨損率的變化趨勢一致，說明試樣的耐磨性能增強，這是由于Ti3AlC2在復合材料中發揮的自潤滑性作用而導致的；添加Ti3AlC2后，900 ℃燒結試樣的摩擦因數低于850 ℃燒結試樣的。

圖5 不同溫度保溫20 min燒結試樣的磨損率隨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燒結試樣的摩擦因數隨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重，產生了較嚴重的犁溝，且磨痕附近出現塑性變形，磨損機制為犁削磨損和黏著磨損；當Ti3AlC2含量為5%～10%時，試樣表面的磨痕明顯平滑，但出現了一些凹坑和磨屑，其磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損；當Ti3AlC2含量為15%～30%時，試樣表面的磨痕更加平滑，凹坑和磨屑也很少，磨損機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 論

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

(2) 在900 ℃保溫20 min燒結后，隨Ti3AlC2含量的增加，復合材料的磨損率和摩擦因數均降低，耐磨性能增強，磨損機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變。