SiC增强Ti-Al-C三元层状陶瓷的制备及其摩擦学性能研究

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三元层状(MAX相)陶瓷具有很多显著的特点,其具有较低的硬度和密度、较高的模量以及优良的导电和导热性能、另外其还具有一定的抗损伤容限性、优良的高温抗氧化性能和抗热冲击性等,并且MAX陶瓷还有一定的可机械加工性。但相比其他种类陶瓷,较低的强度限制了其工程应用范围,本文利用SiC作为增强相,采用第二相增强的方法制备了一系列复合材料,探究物相组成对复合材料力学性能和摩擦学性能的影响规律。本课题将不同质量分数(0、9 wt.%、15 wt.%、20 wt.%)SiC粉体与Ti3AlC2粉体混合球磨,利用热压烧结制备得到了一系列复合材料。对材料的物相组成进行分析,发现SiC与Ti3AlC2在热压烧结过程中会发生反应,添加SiC后的复合材料由Ti3SiC2、Ti C和SiC(过量配比)三相组成。复合材料致密度均大于96%,但当SiC添加量达到20 wt.%时,由于未参与反应的SiC量增加和复合材料内部气孔增多,导致复合材料的密度和致密度发生明显下降。受高模量与高硬度的添加相影响,复合材料的弯曲强度和硬度相比Ti3AlC2陶瓷发生提升,当SiC添加量为15 wt.%,复合材料的弯曲强度和硬度分别达到了最高的668 MPa和8.5GPa。烧结的Ti3AlC2陶瓷断裂韧性为7.4 MPa·m1/2左右,随着SiC的添加,复合材料断裂韧性发生减小、升高再减小的变化,当SiC添加量为15 wt.%时,复合材料的断裂韧性为7.1 MPa·m1/2左右。对比发现SiC添加量为15wt.%时,复合材料的综合性能最佳。复合材料在室温下与低碳钢进行对磨,磨损机制主要为剥层磨损。未添加SiC的Ti3AlC2陶瓷摩擦磨损剧烈,其摩擦系数在2.5-3.2之间,磨损率在10-3 mm3/N·m量级。添加SiC的复合材料,摩擦系数显著降低(0.6-1.1之间),磨损率几乎可以忽略。这是由于加入SiC后,复合材料的硬度和弯曲强度显著增大,有效抑制了摩擦过程中复合材料表面的断裂和剥落,显著改善了复合材料的耐磨性。在不同温度下,复合材料与SiC进行对磨,分析其摩擦学性能。随着试验温度的升高,复合材料的摩擦系数整体上升,磨损率在10-6-10-4 mm3/N·m之间变化,表现出在广域温度范围内优异的耐磨性。这主要是由于在摩擦过程中,复合材料表面断裂形成的磨屑被氧化,氧化物磨屑被压实在磨损表面,形成了以Ti O2、Ti Cx Oy和Si O2、Al2O3(Ti3AlC2陶瓷中)为主的氧化物润滑膜,保护材料不被进一步磨损。
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