Ti2SnC 質量分數對銅基復合材料顯微組織及性能的影響

李小紅，閻峰云，2，張芳芳，王 振

（1.蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州 730050；2.甘肅省有色金屬及復合材料工程技術研究中心，甘肅蘭州 730050）

銅基復合材料具有優異的導電、導熱和高強度性能，因此被廣泛應用于受電弓滑板、集成電路的引線框架、點焊機的電極、觸頭材料等領域[1，2]。根據受電弓滑板的工作要求,需要設計出具有以下性能的受電弓滑板材料：（1）優良的耐沖擊性能；（2）較高的強度；（3）較好的導電性能[3]。通常情況下，增強相的引入在增強銅基復合材料某些機械性能的同時，使其電導率有所損失，因此需要選擇一類導電性能優異的增強相。

Mn+1AXn是一種三元層狀陶瓷材料，兼具金屬和陶瓷的優異性能[4]。目前，三元層狀化合物Mn+1AXn的研究主要集中在Ti3SiC2、Ti3AlC2和Ti2SnC 三種代表性材料上[5,6]。這三種材料均可用作金屬復合材料中的增強相，其物理性能如表1 所示。

表1 增強相性能比較[7，8]

對比發現，它們力學性能基本相當，其中Ti2SnC 導電性能遠遠優于Ti3SiC2、Ti3AlC2，它具有高強度、低摩擦系數和良好的自潤滑性能，是較為理想的金屬導電材料的增強相。通過查閱文獻對比發現，大多數學者研究Ti3SiC2、Ti3AlC2作金屬基增強相的較多，而研究Ti2SnC 并將其應用于受電弓滑板的較少。

Dina 等人[9]將自蔓延高溫合成的Ti3SiC2作為增強相，采用放電等離子燒結技術制備Ti3SiC2/Cu（Ti3SiC2含量分別為3vol%,5vol%,18vol%）復合材料。結果發現，當Ti3SiC2含量3vol%時，致密度92%，電導率為36%IACS，硬度為227HV，如果應用于受電弓滑板則硬度太高對導線磨耗嚴重。李響等人[10]采用火花等離子燒結法制備了Ti2SnC/Cu。研究發現，隨著Ti2SnC 含量的增加，硬度也隨之增大，當10vol%Ti2SnC 含量時，硬度為184HV，為純銅顯微硬度的1.53 倍，而導電率隨著Ti2SnC 含量的增加下降較快，導電率為40%IACS，但是延伸率較低，只有12.1%。因此，為獲得綜合性能優異的銅基復合材料，使其綜合性能滿足TB/T1842.1-2002 電力機車粉末冶金滑板鐵道行業標準[11]要求（如表2），本試驗通過改變Ti2SnC 和Cu 不同配比，采用直熱法粉末燒結技術制備Ti2SnC/Cu 復合材料，并對其組織形貌、導電性能和力學性能進行研究與分析。

表2 銅基受電弓滑板的機電性能

1 試驗

1.1 固液反應法制備增強相

本試驗采用固液反應法[12]制備了增強相Ti2SnC。首先將純度為99.5%的鈦粉（粒徑為150～200 目）、錫球（?2mm）和石墨粉按Ti：Sn：C=2：0.9：0.85 的摩爾比例稱重并混合均勻，裝于氧化鋁反應瓷舟中，然后放置在通有氬氣保護的TL1700 管式爐中并加熱至500℃，保溫1h，以5℃/min 的速率升溫至1260℃進行固液相反應。該過程與固相反應的主要區別在于加熱過程中由于金屬Sn 首先熔化與其他原料進行液固反應。待反應完全管式爐冷卻至室溫后，取出試樣，通過研磨、除雜、烘干、測試粒徑，最終得到粒度均勻的Ti2SnC 粉末。經X 射線衍射（D/max-2400）分析，發現含有少量雜質Sn，配置濃度為10%的HCl 溶液將其除去，除雜前后對比圖如圖1 所示，除雜后Sn 的含量有所減少。然后用掃描電鏡（Quanta450 FEG）分析觀察制備的Ti2SnC，其顆粒形貌如圖2a所示，平均粒徑10μm。

圖1 Ti2SnC 粉末除雜前后對比

試驗所選用的基體材料為霧化銅粉（平均粒徑11μm，純度99.8%)，其顆粒形貌如圖2b 所示。

1.2 直熱法粉末燒結技術制備Ti2SnC/Cu

采用直熱法粉末燒結技術制備Ti2SnC/Cu 復合材料，具體制備過程如下：在金屬銅粉中分別加入5%、8%、10% (質量分數)Ti2SnC 顆粒，經機械混合后得到均勻的Ti2SnC/Cu 復合粉末。將預定配比的Ti2SnC/Cu 復合粉末裝入組合好的高強導電石墨模具中搗實，合模后放入四柱液壓機（THP32-315F）進行試驗。試驗過程中，將紅外測溫儀探頭對準凸模中上部，進行實時測量燒結溫度。當燒結溫度達到目標溫度800℃時，保溫30min，然后加壓45MPa，保壓3min，獲得試樣尺寸為?100mm×10mm。

用金相顯微鏡（Bxs1）觀察增強體Ti2SnC 在銅基體中的分布情況；根據阿基米德法測定所制備復合材料的密度并計算其致密度；用掃描電鏡（Quanta450 FEG）對復合材料的組織、拉伸斷口形貌進行分析；在電子萬能材料試驗機（WDW-100D）上進行拉伸力學性能試驗，夾頭移動速度為 1mm/min；用布氏硬度試驗機（HBE-3000），使用直徑5mm 的鋼球壓頭，在100N 的載荷下測定了布氏硬度，加載時間為30秒，在每個樣品的不同區域等間距取9 個點進行測試并獲得平均值。用沖擊韌性試驗機（NI150）測定了沖擊韌性，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm；采用電阻儀(TEMET-TM2511)測出電阻并換算出導電率。

2 試驗結果分析

2.1 顯微組織分析

圖3 是通過添加不同含量的Ti2SnC 制備的Ti2SnC/Cu 復合材料的金相結構組織，圖4 為復合材料在掃描電鏡下放大到1200 倍的微觀組織照片。從圖3b、c 中可以明顯看出，當Ti2SnC 含量較少時，增強相在銅基體中的分布比較均勻，孔隙較少，并且材料的組織相對致密。圖3d 與圖4d 中，Ti2SnC 顆粒的含量最多，增強相顆粒之間的團聚現象明顯，孔洞也開始增多并逐漸變大。主要原因是Ti2SnC 含量的增加阻礙了銅的流動；另一方面，燒結材料在高溫燒結階段的能量不足,因此在燒結的高溫保溫階段的擴散和流動不夠充分，從而導致材料不夠致密[13]。

2.2 性能分析

圖5a 顯示了Ti2SnC/Cu 復合材料的致密度、導電率與Ti2SnC 含量之間的關系。結果表明，隨著Cu 中Ti2SnC 加入的含量增多，Ti2SnC/Cu 復合材料的致密度明顯降低。其原因是銅的熔點為1083℃，根據燒結理論，800℃下的燒結屬于固相燒結[14]。此時，致密化燒結的主要機制是固體擴散和粘性流動,而Ti2SnC 顆粒的加入阻礙了銅原子的擴散，在同一壓力下，增強相含量越高，其阻隔效果越明顯,銅粉的滑動、擴散和燒結越困難，形成的孔隙越多[15]。當Ti2SnC 的質量分數為5%時，復合材料的致密度達到94%。

圖2 Ti2SnC 和Cu 粉體的顆粒形貌

圖3 Ti2SnC/Cu 復合材料的光學顯微組織

圖4 Ti2SnC/Cu 復合材料的掃描電鏡圖

純銅試樣的導電率為99%IACS，添加5wt%Ti2SnC 后,導電率降至39%IACS，10%的復合材料導電率最低為29%IACS，它們的導電率均可以達到行業標準的最低要求（4.92%IACS）。隨著增強相Ti2SnC 含量的增加，Ti2SnC/Cu 復合材料的導電率逐漸降低。這是由于增強相的加入破壞了基體的連續性，從而使得基體導電率降低[16]；另一方面，銅的質量分數逐漸下降，增強相顆粒相應的增多，可在一定程度上阻止晶粒長大，從而使復合材料中的晶界增多,增加了對電子的散射作用[17]，造成電阻率增大。Ti2SnC 含量越高，與銅的相界面越多，對電子的散射作用越明顯，導電性能越差。

Ti2SnC/Cu 復合材料的抗拉強度和延伸率、布氏硬度和沖擊韌性與Ti2SnC 含量的關系分別如圖5b、c 所示。總體而言，Ti2SnC 對Cu 的增強作用顯著，硬度、強度增加但韌性降低[18]。在Ti2SnC 加入量為5%時，布氏硬度、抗拉強度達到最大，分別為88.5HBS、250.29 MPa，而隨著Ti2SnC 含量的增加沖擊韌性和延伸率持續降低。

與純銅相比，添加Ti2SnC 后復合材料的抗拉強度顯著提高。當Ti2SnC 的質量分數為5%時，抗拉強度達到250.29 MPa，是同一制備條件下純銅的1.4 倍，并保持14%的延伸率，高于李響等人[10]12%的延伸率。這是由于增強相的加入，會阻礙位錯滑移變形[19]，從而使材料的強度提高。然而，隨著Ti2SnC 增強相含量的增加，復合材料的抗拉強度略有降低，一方面是由于孔隙的存在，受力相截面減少，導致實際應力增大；另一方面，孔隙引起應力集中，導致強度下降[20]。

5wt%Ti2SnC/Cu 復合材料的布氏硬度為88.5HBS，是在相同條件下制備的純銅的1.64 倍。繼續增加Ti2SnC 含量，復合材料硬度略有降低，但是均滿足鐵路行業的標準值（60～90HB）。由于復合材料的致密度對布氏硬度有一定的影響，當材料的致密度低時，復合材料中的孔隙就會較多。當測量布氏硬度時，壓頭傳遞的壓力容易導致孔隙塌陷，從而降低布氏硬度值。Ti2SnC/Cu 復合材料的沖擊韌性下降的原因是隨著Ti2SnC 含量的增加，在燒結過程中,Ti2SnC 阻礙了銅原子之間的相互擴散,進而阻礙燒結頸的形成[21],非塑性增強體對Cu 的割裂作用增強，降低了材料的沖擊韌性。所以，純銅的沖擊韌性值是最大的，為19.6J/cm2；其次是Ti2SnC 添加量為5%的復合材料，沖擊韌性達到11.17J/cm2，高于行業標準要求的7J/cm2。

圖5 Ti2SnC/Cu 復合材料的性能

圖6 Ti2SnC-Cu 復合材料拉伸斷口形貌SEM圖

純銅和Ti2SnC/Cu 復合材料的拉伸斷口形貌如圖6 所示。從圖6a 中可以看出，純銅的斷口上布滿了較深的蜂窩狀韌窩，這是由于材料本身存在孔隙，在外部應力的作用下，發生應力集中與裂紋擴展、長大和相互連接最終導致材料的斷裂。在Ti2SnC 質量分數較少（5%）的復合材料（圖6b）中,也可以看到韌窩尺寸變小且數量較多，但韌窩形狀不規則而且較淺。這是由于Ti2SnC 的存在,使得拉伸過程中材料內部應力場比較復雜，因而拉伸過程中孔洞形成后材料發生內頸縮的方向不定，導致韌窩形狀是不規則的[22]。韌窩較淺，表明添加Ti2SnC 顯著降低了材料的塑性。隨著Ti2SnC 質量分數的增加，韌窩數量和尺寸明顯減小，材料的斷裂方式逐漸從塑性斷裂向脆性斷裂轉變。

3 結論

（1）當工藝條件一定時，隨著增強相Ti2SnC 含量的增多，Ti2SnC/Cu 復合材料的致密度、延伸率、抗沖擊韌性、抗拉強度、導電率均呈現下降趨勢；布氏硬度略有增加，但添加量為8%、10%時，增加不明顯。

（2）Ti2SnC 的質量分數為5%時，Ti2SnC/Cu 復合材料的綜合性能最好，致密度達94%，導電率為39%IACS；抗拉強度達到250.29 MPa，是純銅的1.4 倍，并保持14%的延伸率；抗沖擊韌性為11.17J/cm2，布氏硬度89HBS，可以滿足受電弓滑板的要求。