Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷的制備及摩擦磨損性能研究

李喜坤，齊艷雨，宋曉東，蔡 明

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

Ti3AlC2材料因其優(yōu)異的摩擦磨損性能，經(jīng)常用于制備交互結(jié)構(gòu)的設(shè)備；為維持設(shè)備長(zhǎng)期順利運(yùn)行，相關(guān)材料必須要能經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間和高強(qiáng)度的運(yùn)行接觸磨損，所以耐摩擦磨損性能顯得尤為重要[1-5]。呂振林等[6-7]通過(guò)摩擦實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ti3AlC2材料的磨損率隨載荷的增加而增加，當(dāng)載荷較小時(shí)，摩擦熱相對(duì)較小，表面生成的氧化膜不連續(xù)，材料本身的自潤(rùn)滑性能良好，因此摩擦系數(shù)大，磨損率低；當(dāng)載荷增大時(shí)，磨料和樣品之間的接觸表面產(chǎn)生的熱量增加，利于形成氧化膜，從而降低摩擦系數(shù)；同時(shí)，隨著摩擦力的增加，磨損速度也開始增加。李喜坤等[8]利用真空熱壓燒結(jié)爐保溫50min制得陶瓷試樣Ti3AlC2，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為85.9%，硬度較高，尺寸適中。本文采用ZT(Y)系列真空熱壓爐(上海晨華電爐有限公司)燒結(jié)Ti3AlC2試樣，并將在原料中加入的Cu含量作為變量，研究其對(duì)樣品摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 配比設(shè)計(jì)

采用控制變量法設(shè)計(jì)配料比，加入Cu粉作為強(qiáng)化相，基體材料為Ti3AlC2陶瓷，制備Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷。具體的配料摩爾比為TiC∶Ti∶Al∶Cu=2∶1∶1∶n(銅摩爾數(shù)n=0.2、0.4、0.6、0.8mol)。

1.2 制備原料

采用濕法球磨的方式來(lái)制備原料粉末。磨球、原料粉末和無(wú)水乙醇的比例定為3∶1∶0.7，球磨機(jī)的運(yùn)行速度為35r/min，混料時(shí)間為10h；混料結(jié)束后，將原料在真空烘干機(jī)內(nèi)烘干；最后在真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400℃，燒結(jié)時(shí)間為30min，燒結(jié)壓力為30MPa。

1.3 性能測(cè)試方法和結(jié)構(gòu)表征

利用金剛石線切割機(jī)(STX-603)(沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司)對(duì)燒結(jié)后的試樣進(jìn)行切割，對(duì)切割后的試樣利用金相試樣磨拋機(jī)(TRUE 310E)(Bright Detection Equipment Ltd公司)進(jìn)行粗磨和拋光；用Ultrima IV X射線衍射儀(日本理學(xué))對(duì)樣品的相組成進(jìn)行定性分析；用MAIA3電子發(fā)射顯微鏡和能譜儀(德國(guó)TESCON公司)觀察樣品的表面形貌，分析樣品的微觀成分；利用HVS-50型數(shù)顯維氏硬度計(jì)(萊州華煜眾信試驗(yàn)儀器有限公司)對(duì)試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)；使用MDW-02型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司)對(duì)試件的性能進(jìn)行測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物相分析

圖1為Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷在1400℃燒結(jié)后的XRD圖譜，曲線0、1、2、3、4分別為添加 Cu 摩爾數(shù)為0、0.2、0.4、0.6、0.8mol的試樣。

圖1 Cu/Ti3AlC2復(fù)合陶瓷XRD衍射圖譜

由圖1可以看出，試樣中有Ti3AlC2相、TiC相和Al3.8Cu6.2相，且Ti3AlC2衍射峰的強(qiáng)度隨Cu含量的增加呈現(xiàn)出先增強(qiáng)再減弱的趨勢(shì)，Cu摩爾數(shù)為0.4和0.6時(shí)，Ti3AlC2在(104)的衍射峰強(qiáng)度最強(qiáng)。在配比為TiC∶Ti∶Al∶Cu=2∶1∶1∶0.8的復(fù)合陶瓷試樣中多了金屬間化合物Al3.8Cu6.2相。根據(jù)Ti-Al-C三元系燒結(jié)反應(yīng)形成機(jī)理，當(dāng)Cu的摩爾數(shù)超過(guò)0.6，Al將與反應(yīng)體系中過(guò)量的Cu反應(yīng)，形成金屬間化合物Al-Cu，這將減少Ti3AlC2合成中的Al元素量，從而影響Ti3AlC2的合成效率[9]。

Ti3AlC2燒結(jié)過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理為[10]

Ti+3Al=TiAl3

(1)

TiAl3+2Ti=3TiAl

(2)

TiC+TiAl=Ti2AlC

(3)

Ti2AlC+TiC=Ti3AlC2

(4)

Peng C等[11]采用XRD衍射法研究了Ti-A1-C三元體系的定量分析，結(jié)果表明，由于Ti3AlC2(a相)、Ti2AlC(b相)和TiC(c相)都具有一個(gè)或多個(gè)強(qiáng)度高的衍射峰，因此可通過(guò)特征峰定性和定量分析物相。結(jié)合圖1的XRD圖譜，利用公式計(jì)算Ti3AlC2和TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其公式為

WTiC=1.084/(ITi3AlC2/ITiC+1.084)

WTi3AlC2=1-WTiC

(5)

式中：WTiC和WTi3AlC2分別代表TiC和Ti3AlC2的含量；ITiC和ITi3AlC2分別表示TiC(111)衍射峰強(qiáng)度和Ti3AlC2(104)衍射峰強(qiáng)度。表1為Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷物相種類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果。

表1 Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷物相種類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表1可以看到，試樣的摩爾比為TiC∶Ti∶Al∶Cu=2∶1∶1∶0.6時(shí)，試樣中的Ti3AlC2含量最高；當(dāng)Cu的摩爾數(shù)大于0.6時(shí)，Ti3AlC2的衍射峰強(qiáng)度降低。

2.2 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖2是燒結(jié)溫度為1400℃的Ti3AlC2復(fù)合陶瓷放大5000倍的SEM照片。從圖2可以看出，不同Cu含量的樣品皆達(dá)到致密狀態(tài)；燒結(jié)至1400℃后形成陶瓷粉末的顆粒形式不規(guī)則，晶粒大小不一。當(dāng)Cu加入量較小時(shí)，較大晶粒的數(shù)量較多，較大晶粒與較小晶粒的尺寸差異較大；隨著Cu的加入量增多，大晶粒逐漸減小，晶粒之間的尺寸差距逐漸減小。根據(jù)圖1分析結(jié)果，Cu的加入會(huì)形成Al-Cu的金屬間化合物。隨著Cu含量的增加，金屬間化合物的含量也會(huì)增加，這些金屬間化合物起到細(xì)化晶粒作用。因此，當(dāng)Cu的摩爾數(shù)超過(guò)0.6時(shí)，大晶粒的數(shù)量將減少，晶粒尺寸逐漸均勻。試樣的摩爾比為TiC∶Ti∶Al∶Cu=2∶1∶1∶0.6和摩爾比為TiC∶Ti∶Al∶Cu=2∶1∶1∶0.8試樣的晶粒尺寸較為均勻。

圖2 Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷材料的 SEM照片

2.3 維氏硬度分析

圖3是Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷在1400℃燒結(jié)后，利用維氏硬度計(jì)，采用300N試驗(yàn)力，保持10s得到的硬度值。由圖3可見(jiàn)，Cu的加入改變了材料的硬度，加入Cu的復(fù)合陶瓷硬度均高于未加入Cu的試樣硬度。試樣的摩爾比為TiC∶Ti∶Al∶Cu=2∶1∶1∶0.8時(shí)，硬度達(dá)到最大值1081.66N/mm2。

圖3 添加Cu含量對(duì)復(fù)合陶瓷硬度的影響

2.4 摩擦磨損數(shù)據(jù)分析

采用MDW-02型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦副材質(zhì)為氧化鋯。實(shí)驗(yàn)條件為：室溫，加載壓力分別為30N和50N，摩擦?xí)r間為40min。表2為試樣原始質(zhì)量和經(jīng)過(guò)30N載荷、50N載荷測(cè)試后的質(zhì)量。表2中A0為空白對(duì)照組，A2、A4、A6、A8分別為添加Cu摩爾數(shù)為0.2、0.4、0.6、0.8mol的試樣。

表2 試件加載荷前后質(zhì)量 g

由表2可知，試件用氧化鋯球摩擦后，質(zhì)量都有一定程度的磨損。A0組試樣的磨損量明顯高于添加Cu為強(qiáng)化相的試樣磨損量，Cu的加入可以提高Ti3AlC2陶瓷的耐磨性。A8組磨損量相較于其它組過(guò)大，結(jié)合圖1發(fā)現(xiàn)，A8組試樣中Cu的摩爾數(shù)達(dá)到了0.8，Al與反應(yīng)體系中過(guò)量的Cu反應(yīng)，形成金屬間化合物Al-Cu，減少了Ti3AlC2合成中的Al元素量，從而影響Ti3AlC2的合成效率，使試樣中Ti3AlC2含量較低，而Al-Cu金屬間化合物分布不均勻，所以A8組試樣不耐磨。一般來(lái)說(shuō)，材料越硬，耐磨性越強(qiáng)，因此，硬度值往往被認(rèn)為是衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一。雖然硬度是材料優(yōu)良耐磨性的基礎(chǔ)，但硬度與耐磨性之間的關(guān)系并不成正比。如該鋼板的硬度過(guò)高，鋼板表面材料容易脫落，不利于耐磨性。故在Cu的摩爾數(shù)為0.8時(shí)，試樣的硬度即使達(dá)到最大值，其耐磨性也較低。由A2組可以看到，在經(jīng)過(guò)50N載荷的摩擦磨損測(cè)試后，質(zhì)量 反而比經(jīng)過(guò)30N載荷磨損后增加了0.0003g；根據(jù)XRD分析結(jié)果，A2組試樣的Ti3AlC2含量較低，TiC含量較高，而TiC硬度大；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氧化鋯磨球的下圓表面與試樣直接接觸，當(dāng)試樣比氧化鋯磨球硬度更高時(shí)，磨球的球形表面會(huì)被逐漸磨平，而掉落的粉末顆粒會(huì)附著在試樣的表面，當(dāng)試樣存在的孔隙較大時(shí)，顆粒會(huì)在載荷的作用下進(jìn)入孔隙與試樣表面契合，故A2組試驗(yàn)后質(zhì)量反而增大。試樣A6在50N載荷下?lián)p耗量最低，為0.0011g。

圖4是不同強(qiáng)化相含量的Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷材料的摩擦系數(shù)形態(tài)趨勢(shì)圖，曲線0、1、2、3、4分別為添加Cu摩爾數(shù)為0、0.2、0.4、0.6、0.8mol的試樣。

圖4 Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷摩擦系數(shù)形態(tài)趨勢(shì)圖

由文獻(xiàn)[11]可知，摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)是由樣品和摩擦副之間的表面接觸力決定的。磨損初期，接觸面受力較大，摩擦系數(shù)變化相對(duì)穩(wěn)定；隨著磨損過(guò)程的進(jìn)行，摩擦表面溫度升高、表面軟化，摩擦表面上的陶瓷顆粒被拉出摩擦表面甚至斷裂，表面的保護(hù)喪失，磨損機(jī)制改變。從圖4中可以看出，曲線在摩擦磨損過(guò)程中顯示了穩(wěn)定趨勢(shì)。

圖5為A4組和A6組試樣載荷為30N時(shí)，兩組試樣測(cè)試后的微觀形貌。從圖5中看到，A6組的試樣燒結(jié)后更加致密，在測(cè)試后，試樣表面的摩擦痕跡十分規(guī)則；A4組的試樣只有部分致密。

圖6為A4組和A6組載荷為50 N時(shí)，兩組試樣測(cè)試后的微觀形貌。由圖6可以看出，當(dāng)載荷為50N時(shí)，試樣空隙更加明顯，用顯微鏡觀察兩者的劃痕，發(fā)現(xiàn)A4組的劃痕更深。從XRD的分析結(jié)果可以看出，A4組的Ti3AlC2質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于A6組的Ti3AlC2質(zhì)量分?jǐn)?shù)；A6組Al-Cu金屬間化合物的含量高于A4組樣品。金屬間化合物的硬度較高，均勻分布在基體中起到分散強(qiáng)化的作用，因此A6樣品的界面強(qiáng)度高于A4樣品。當(dāng)界面強(qiáng)度高時(shí)，氧化磨損和輕微的磨粒磨損是主要的磨損機(jī)制。從圖5和圖6可以看出，加載相同大小的負(fù)荷后，磨損痕跡表面的微小形態(tài)有很大的差異：A4樣品的磨損面，在摩擦過(guò)程中反復(fù)產(chǎn)生接觸應(yīng)力，導(dǎo)致明顯的疲勞磨損，樣品的磨損面有明顯的凹槽，由于接觸應(yīng)力的作用，基體發(fā)生了塑性變形，有顆粒拔出，發(fā)生了磨粒磨損；A6樣品的磨損面平滑，無(wú)明顯的凹槽，磨損機(jī)制為氧化磨損和輕微的磨粒磨損。所以A6樣品的耐磨性更好。

圖5 30N載荷下 A4 和A6試樣的微觀形貌

圖6 50N載荷下 A4 和A6試樣的微觀形貌

綜上所述，摩爾比為TiC∶Ti∶Al∶Cu=2∶1∶1∶0.6的試樣耐磨損性能最佳。

3 結(jié)論

采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了不同摩爾配比的Ti3AlC2/Cu復(fù)合陶瓷材料，Cu作為強(qiáng)化相增強(qiáng)了材料的耐摩擦磨損性能。

當(dāng)TiC∶Ti∶Al∶Cu的摩爾比為2∶1∶1∶0.6時(shí)，采用真空熱壓燒結(jié)法在1400℃、保溫30min、壓力為30MPa的條件下，能夠制備出較高純度且致密的 Ti3AlC2材料，其中 Ti3AlC2含量達(dá)到88%。

在摩擦磨損性能測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，摩爾比為2∶1∶1∶0.6的試樣耐磨損性能最佳，此時(shí)試樣A6在50N載荷下?lián)p耗量為0.0011g，低于空白組試樣的損耗量0.0108g。添加Cu作為強(qiáng)化相后，Ti3AlC2材料的摩擦磨損性能有所提升。