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本文基于提升高速列车制动盘性能与使用寿命的迫切需求,采用无压烧结、热压烧结、熔融浸渗等不同工艺路线制备了 TiC增强Fe基均质复合材料、梯度复合材料及双连续相复合材料,较系统地研究了不同结构形式的TiC-Fe复合材料的制备工艺、微观组织、力学性能、摩擦磨损性能及其内在关系等相关科学与技术问题,以期为新型高速列车制动盘的成功研制奠定基础。论文分析了所制备TiC-Fe复合材料的化学成分、物相组成、增强相与基体界面结构,测试了相应材料的密度、维氏硬度、拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度、断裂韧性、压缩强度等物理性能和力学性能,探索了材料组分中羰基铁粉含量对Fe基体及TiC-Fe复合材料性能的影响规律及作用机理;获得了试验条件下各TiC-Fe复合材料的优化制备工艺参数;并对不同结构形式的TiC-Fe复合材料的摩擦磨损性能进行了试验研究,探索了复合材料组成、结构形式、摩擦试验参数等因素对材料摩擦磨损性能的影响规律。研究结果表明:(1)在还原铁粉原料中加入羰基铁粉有助于降低Fe基体材料及TiC-Fe复合材料的致密化烧结温度,并可有效提高材料的相对密度和维氏硬度;Fe基体材料的烧结收缩率与其原料中羰基铁粉含量大致呈线性关系;羰基铁粉的促烧作用机理在于其提高了烧结后铁基体中C元素的含量。(2)无压烧结工艺制备体积含量70～90vol.%TiC-Fe复合材料的最佳烧结温度为1500℃,基体中羰基铁粉的最佳添加量为铁粉总量的60vol.%。在此条件下,TiC含量分别为70vol.%和80vol.%的TiC-Fe复合材料PS70T60C和PS80T60C的相对密度高达99.4～99.5%,PS80T60C的维氏硬度最大,为12.2GPa;PS70T20C的弯曲强度最高,为496 MPa。在球磨过程中加入硬脂酸锌可提高TiC-Fe复合材料的性能,试验范围内硬脂酸锌的最佳添加比例为复合粉体质量的0.5%。(3)热压烧结工艺制备Fe基体材料及体积含量10～60vol.%TiC-Fe复合材料的性能受TiC体积含量、基体中羰基铁粉含量和烧结温度的综合影响,在25 MPa压力下的最佳烧结温度为1270℃。其中TiC含量为20vol.%的复合材料HP20T60C的拉伸强度最大,为634 MPa;TiC含量为30vol.%的HP30T60C的断裂韧性最高,为17.0MPa·m1/2;TiC含量为40vol.%的HP40T60C的维氏硬度最大,为5.1 GPa。TiC颗粒与Fe基体之间的界面很薄,仅有几个原子层厚度的过渡区,界面上未见其它杂质或界面相。(4)TiC-Fe/Fe双层复合材料中,TiC-Fe复合材料层与纯还原Fe层之间高强度的界面连接赋予了双层复合材料优良的协同增强效应。其中30vol.%TiC-Fe/Fe双层复合材料的层间剪切强度最大,为335MPa;40vo1.%TTi-Fe/Fe双层复合材料的拉伸强度最大,为588 MPa。复合材料层中硬脂酸锌的最佳添加比例为复合粉体质量的0.5%,与不添加硬脂酸锌的40vol.%TiC-Fe/Fe双层复合材料相比,其层间剪切强度提高了 72.3%,达到379 MPa。(5)在有机模板浸渍制备TiC多孔陶瓷预制体时,在TiC原料中加入Ti粉可与有机模板裂解后产生的残炭反应生成非化学计量比的TiCx颗粒,其中TiC+30 wt.%Ti成分制备TiCx的晶格参数a为0.4306 nm,其x值为0.55。以孔径为10、20、30 PPI聚氨酯海绵为模板制备的三种多孔陶瓷的孔棱直径均随着料浆浸渍次数的增加大致呈线性增长关系,经5次浸渍后,多孔陶瓷的孔棱直径约为3次浸渍后的1.9～2.7倍,表现出良好的结构可控性。(6)通过熔融浸渗工艺制备的TiC-Fe双连续相复合材料的性能与TiC多孔陶瓷预制体的成分密切相关。在TiC多孔陶瓷预制体中添加Mo粉制备的4 vol.%TiC-Fe双连续相复合材料的拉伸强度最大,为343 MPa,比无压烧结制备相同体积含量的TiC-Fe复合材料的拉伸强度提高了 66.5%。(7)TiC-Fe复合材料的摩擦系数和磨损率受法向压强、滑动摩擦速度、TiC体积含量、基体中羰基铁粉含量、硬脂酸锌添加量等因素的综合影响。当滑动摩擦速度为3m/s、法向压强为0.5 MPa时,无压烧结工艺制备的TiC-Fe复合材料中,90vol.%TiC-Fe复合材料的磨损率最低,为3.68×10-12mm3/N·m;相较而言,热压烧结工艺制备的60vol.%TiC-Fe复合材料的磨损率仅为1.87×l0-12mm3/N·m,较无压烧结TiC-Fe复合材料的耐磨损性能优异。TiC-Fe双连续相复合材料的摩擦系数和磨损率受法向压强、多孔TiC孔径尺寸等因素的影响。在相同增强相含量与摩擦试验条件下,双连续相TiC-Fe复合材料的摩擦系数高于热压烧结与无压烧结TiC-Fe复合材料,且摩擦系数对压强的变化更稳定,同时TiC-Fe双连续相复合材料的耐磨性优于热压烧结与无压烧结TiC-Fe复合材料。本论文的主要创新成果:(1)采用不同工艺制备了 TiC-Fe均质复合材料、梯度复合材料和双连续相复合材料,获得了各TiC-Fe复合材料的优化制备工艺,揭示了不同结构形式TiC-Fe 复合材料的性能特点。(2)热压烧结TiC-Fe/Fe双层复合材料的性能优于TiC-Fe和Fe两单层材料各自的性能,这主要得益于TiC-Fe复合材料层与纯还原Fe层之间较强的层间结合所产生的协同增强效应。(3)开发出一种孔隙率可调、孔径结构可控、力学性能良好的TiC多孔陶瓷预制体,在此基础上采用熔融浸渗法成功制备出力学性能、摩擦性能优良的TiC-Fe双连续相复合材料。(4)当增强相含量相同时,TiC-Fe双连续相复合材料比无压烧结和热压烧结均质TiC-Fe复合材料具有更高更稳定的摩擦系数和更低的磨损率,更适于摩擦材料和制动材料等工况下的应用。