反应烧结法制备Ti3AlC2材料及其摩擦磨损性能研究

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本文以Ti、Al、C粉为原料采用反应烧结法制备Ti3AlC2材料,研究烧结工艺参数(包括烧结温度、不同Al含量、保温时间)对试样的纯度及气孔率的影响。利用X-射线衍射物相定量分析测得Ti3AlC2百分含量,采用阿基米德排水法测得试样的气孔率。得出:按照n(Ti):n(Al):n(C)=3:1.2:1.8的配比进行反应烧结,在1300℃下烧结0.5h,能够制备出高纯致密的Ti3AlC2材料,测得试样中Ti3AlC2的百分含量为94.6wt%,气孔率为9.4vol%,表明此工艺是合成Ti3AlC2材料的最佳工艺参数。   利用差热分析对Ti、Al、C粉在升温过程中的各相态变化进行研究,并结合热力学数据来进一步分析合成Ti3AlC2材料的反应机理。得出合成Ti3AlC2的反应是固-液反应:在烧结温度达到660℃时,铝开始熔化,Al粉熔化后与Ti反应生成TiAl3,之后TiAl3再继续与Ti反应生成TiAl,并进一步生成Ti3Al,同时,Ti熔解在Al熔液中并移动到碳表面,反应生成TiC,TiC再与Ti-Al化合物反应合成Ti3AlC2。   Ti3AlC2块体材料的力学性能研究表明:试样中Ti3AlC2的百分含量和气孔率是制约其硬度和弯曲强度的重要因素。随着试样中Ti3AlC2含量的增加,试样的硬度和弯曲强度也随之增加。当Ti3AlC2含量为94.6wt%,气孔率为9.4vol%时,试样的硬度和弯曲强度分别为165.5HB和321.6MPa。   在干摩擦过程中,Ti3AlC2材料的摩擦系数随着载荷和转速的增大均呈下降趋势,而磨损率呈现上升趋势。Ti3AlC2材料良好的干摩擦磨损性能主要归因于其摩擦表面存在的具有良好润滑作用的氧化物薄膜。当载荷较小时,Ti3AlC2材料的磨损以磨损面的解理流变和粒子脱落造成的磨粒磨损为主;而载荷较大时,其磨损机理以轻微划痕和轻微粘着磨损为主。在载流摩擦过程中,相同载荷和转速时,Ti3AlC2材料的摩擦系数和磨损率明显高于非载流时的摩擦系数和磨损率,且电流密度越大,对材料的摩擦磨损行为影响越显著;同时,电流的存在也改变了材料在干摩擦过程中磨损率随载荷的增大而增加的规律。在载流条件下Ti3AlC2材料的摩擦磨损特性主要归因于摩擦面之间的机械摩擦、电弧烧蚀和电流焦耳热耦合的结果。
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