（材料加工工程专业论文）反应烧结法制备ti3alc2材料及其摩擦磨损性能研究.pdf

摘要 论文题目：反应烧结法制备t i 3 a l c 2 材料及其摩擦磨损性能研究 学科名称：材料加工工程 研究生：刘晶歌作者( 签名) ： 兰当叠塑垄 指导教师：吕振林教授导师( 签名) 墨碰 摘要 本文以n 、a l 、c 粉为原料采用反应烧结法制备t i 3 a l c 2 材料，研究烧结工艺参数( 包 括烧结温度、不同a l 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n 3 舢c 2 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 ( t i ) ：n ( a 1 ) ：n ( c ) = 3 ：1 2 ：1 8 的配比进行反应烧结，在1 3 0 0 下烧结0 5 h ，能够制备出高 纯致密的t i 3 a 1 c 2 材料，测得试样中n 3 a l c 2 的百分含量为9 4 6 叭，气孔率为9 4 v 0 1 ， 表明此工艺是合成t i 3 a l c 2 材料的最佳工艺参数。 利用差热分析对n 、a l 、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币3 a l c 2 材料的反应机理。得出合成t i 3 a l c 2 的反应是固一液反应： 在烧结温度达到6 6 0 时，铝开始熔化，a l 粉熔化后与n 反应生成币a 1 3 ，之后m 1 3 再 继续与n 反应生成瞰l ，并进一步生成1 r i 3 砧，同时，t i 熔解在触熔液中并移动到碳表 面，反应生成t i c ，n c 再与1 r i 舢化合物反应合成n 3 a l c 2 。 t i 3 a l c 2 块体材料的力学性能研究表明：试样中n 3 a l c 2 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t i 3 a l c 2 含量的增加，试样的硬度和弯曲强度也 随之增加。当币3 a l c 2 含量为9 4 6 叭，气孔率为9 4 v 0 l 时，试样的硬度和弯曲强度分 别为1 6 5 5 h b 和3 2 1 6 m p a 。 在干摩擦过程中，n 3 a l c 2 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。n 3 a l c 2 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，t i 3 a l c 2 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，t i 3 a l c 2 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 流条件下币3 a l c 2 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。 关键词lt i 3 a l c 2 ；反应烧结；组织；摩擦磨损 n a b s r t a c t t i t i e ：s t u d yo nf a b r i c a t i o no ft i 3 a i c 2b y r e a c t i v es l n t e r i n g a n di t st r i b o l o g i c a lb e h a i v o r m a j o r ：m a t e r a i sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：j i n g g el i u s u p e r 、，j s o r ：p r o f z h e n i i nl u a b s t r a c t s i g n a t u 陀：鱼丝五进 s i g n a t u r e ： t h ee f r e c t so fv 丽o u sp r o c e s sp a r a m e t e r s ( s u c ha ss i n t e r i n gt e m p e r a _ t u r e ，c o n t e n to f a li n m o l 2 u rr a t i o ，s i n t e r i n gt i m e ) o nt 1 1 ep u t ya n dp o r o s i 妙o fs i n t e r e d 砸3 a l c 2w e r es t u d i e db y u s i n g1 r i ，锄dcp o w d e r s 懿r a wm a t e r i a l ss i n t e r e db yr e a c t i o ns i n t e r i n gt e c h n o l o g y t h e c o n t e n to fn 3 a l c 2i nt 1 1 em a t e r i m 锄d 也ep o r o s i t ) ，a r ei n v e s t i g a t e d b ym e 卸so fx r a y d i f f r a c t i o n 锄da r c h i m e d e sd r a i n a g em e t h o d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tn 3 a l c 2c e 均m i c m a t e r i a lw i t l l1 1 j g l ld e n s i t yh 懿b e e ns u c c e s s m l l yf a b r i c a t e dw h e nt 1 1 em o l 甜r a t i oo f 叭l ci s e q u a jt 03 ：1 2 ：1 8 a t1 3 0 0 f o ro 5 hb yr e 觚t i v es i n t e r i n g ；t _ 1 1 ec o n t e n to fn 3 a l c 2i nt h e m a t e r i a lr e a c h e d 鹬l l j g h 舔9 4 6 ，锄dt h ep o r o s i t ) rw 弱o i l l y9 4 ；1 h st e c h n o l o g yw 弱t l l e b e s tp r e p a r a t i o nm e t h o d s 1 1 l ep h 勰ec o n v e r s i o no f1 r i ，a la n dcp o w d e r si n 也et e m p c 翰t l l r e r i s ep e r i o di sa n a j y z e d b ym e 肌so fd i 疏r e n t i a lt h e 咖a l 锄a l y s i s ，m e 锄w h i l e c o r d i n gt ot h et h e m l o d y n a n l i c l a t l l e r e a c t i o nm e c h 锄i s mo fr e a c t i o n s i n t e r e dn 3 a l c 2w o u l db e 锄a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t 恤e 陀a c t i o nm e c h 觚i s mf o rs ”t 1 1 e s i z i n g 币3 a l c 2i s s o l i d 一“q u i dr c a c t i o n w i t ht 1 1 es i n t e r i n g t e m p e r a t u r ei i l c r e 嬲e s ，t 1 1 et e m p e r a m r er e a c h e dt i l em e l t i n gp o i n to f a la t6 6 0 ，t i l em e l t i n ga l r e a c t s 州t l lt h et ia t o mt of 0 姗t i a l 3 t h e nn a l 3 陀a c t s 州t 1 1t it of 0 册t i a l ，f i n a l l yg e tt i 3 a 1 m e 觚、v h i l em e 币a t o mm e l ti nt h em e l t i n ga ls p r e a d e dt 0c a r b o ns u r f a c e ，f 0 珊e d1 r i c ，w h i c h r c a c t e d 诵t ht 1 1 et i 3 a l t of 0 肌n 3 a l c 2 t h em e c h a n i c a lp r o p e r i t i e so fn 3 a l c 2b l o c km a t e r i dh a ds t u d i e di nt h i sa n i c l e t h e r e s u l t ss h o w e dm a tm ec o n t e n to fn 3 a l c 2 锄dp o r o s i t ) ri nt 1 1 es 锄p l ea 妇f c c t e dh a r d n e s s 锄d b e n d i n gs t r e n g t l lo fs a m p l e a st l l e c o n t e n to fn 3 a l c 2i n c r e 弱i n g ，h a r d n e s s 鲫db e n d i n g s t r e n g t ho fs a m p l er o s e w h e nt h ec o n t e n to ft i 3 a l c 2w 弱u pt 09 4 6 ，t h ep o r o s i t ) ，w 鹊9 4 ， i t sh a r d n e s sa n d b e n d i n gs 讹n g t hw 嬲r e s p e c t i v e l yl6 5 5 h b 锄d3 21 6 m p a i nt h ec 嬲eo fn o n - c u l l r e n t c a 州e r t 1 1 e 衔c t i o nc o e 衔c i e n to fn 3 a l c 2 d e c r e 褐e d 嬲l o a d i n g 鲫dt l l es l i d i n gs p e e di n c r e 嬲i n g ，锄dt h ew e a rr a t eh a dm eo p p o s i t ei n t e n d b e c a u s eo fm e n l e x i s t e n c eo ft l l es e l f 二g e n e r a t e df i l m 埘t l ll u b r i c t i o n a tt h e 衔c t i o ns u r f ：k e ，币3 a l c 2m a t e r i 出 s h o w e dg o o d 衔c t i o na n dw e a rp r o p o r i t i e s w h e nt l l el o a d i n gi sl o w ，t l l em a l nw e a r m e c h a n l s m i sa b m s i v ew e 缸c a u s e db yt l l es h e d d i i l go fn 3 a l c 2p 抓i c l e s 锄dr h e o l o g i cb e h a v i o ro f 、v o m s u r e u n d e ra1 1 i g l l e rl o a d i n g ，龇w e a rm e c h a n i s mt r a i l s f 0 珊st os c r a t c h 孤dl i 出a d h e s i v e w e 牡i nt 1 1 ec a o fc u r r e n t c a r r i e r ，c l l n e n ts i 鲥6 c a n t l ye 脏c t e dm e 衔c t i o n 锄dw e a r b e h a v i o r o fn 3 a l c 2 w i 也t l l es 锄el o a d i n ga i l ds p e e d ，t l l e 衔c t i o nc o e 伍c i e n t 锄dw e a rr a t eo f 1 r i 3 a l c 2 i nt l l ec 弱eo fc u r r e n t c a 而e rw 丛s i 鲥f i c 锄t i yh i 曲e rt h 趾帅d e r t l l ec o n d i t i o n so fd d r 衔c t i o n o f 衔c t i o nc o e 币c i e n ta n dw e a rr a t e ，鲫dt l l eh i g h e rt h ed e n s i 够o fc r e n _ t ，t l l e g r e a t e rt h e 衔c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro fn 3 c 2i n l p a c t m e a 聃d l i l et 1 1 ee x i s t e n c eo fc 硼r e n tc h a n g e sm e l a wm a ti nt l l ep r o c e s so fd r y 衔c t i o nt h ew e 盯r a t eo fn 3 a l c 2i n c r e a s e d 勰1 0 a d i n g 觚dt l l e s l i d i n gs p e e di n c r e a s i n g u n d e rt h ec o n d i t i o n so fc 姗r e n t c 枷e r ，t l l e 衔c t i o n a 1 1 dw e 盯b e h a v i o r o ft i 3 a l c 2m a t e r i a jm a i l yd u et 0m e c h a l l i c a l 衔c t i o i l ，a r ca b l a t i o n a 1 1 dj o u l eh e a tc u r r e n t c o u p l i n gb e m e e nm e 衔c t i o ns u r f a c e k e yw o r d s ：n 3 a l c 2 ；r e a c t i v es i n t 耐n g ；m i c r 0 灿叽鹏s ；f r i c “o n 孤dw e 对 1 前言 1 前言 材料是社会发展和进步的物质基础，随着社会的发展和科学技术的进步，特别在宇航、 航空、原子能和先进能源等科学技术领域的发展，对高温、高强度材料提出了越来越苛刻 的要求，而传统的陶瓷材料、金属材料及高分子材料越来越不能满足要求。虽然陶瓷材料 具有许多优点，如高强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等，但也存在较多缺陷，如脆性大、 韧性低，重复使用的可靠性较低，且硬度太高很难进行加工等。近几年来，研究者通过各 种方法和途径来提高陶瓷材料的韧性，虽然也取得了一些成果，但在实际应用过程中却存 在较大的局限性，如复杂的工艺条件和昂贵的成本等缺陷，也正由于这些缺陷一直制约着 陶瓷材料的进一步发展，所以无法用来制备高性能的高温结构材料，因此对于满足高速发 展的能源、航天和信息技术等提出了更为苛刻的要求。于是通过各种实验方法和在不同的 工艺条件下，在庞大的材料体系中，研究者试图寻找一种既具有陶瓷性能，又具有金属性 能的新型先进材料。于是各种新型陶瓷材料得到了广泛的研究与开发。 近年来，研究者越来越关注具有三元层状结构的m n + l a x 。系化合物1 1 ，其中m 是过 渡金属元素：a 是i i i a 或a 族元素：x 是c 或n 等元素；n = l ，2 ，3 。这些化合物以其优 异的性能2 跏引起了科学家极大的研究兴趣。币3 a l c 2 是m n + l a x n 系中的典型代表1 0 1 ，常 温下具有良好的导电导热性能，较低的c h e r s 硬度，较高的弹性模量和剪切模量，具有 可加工性，高温下具有塑性；同时又具有与陶瓷一样的高熔点高热稳定和抗氧化性能，甚 至有优于石墨和m o s 2 的自润滑性能。 1 1t i 3 a l c 2 材料的研究进展 1 1 1t i 3 a i c 2 的结构 前3 c 2 最早由p i e t z l c a 和s c h u s t e r 1 以n 、雨a l 、a 1 4 c 3 和c 的混合粉为原料，利用反应烧结法第一次合成了 币3 c 2 。他们初步研究了其晶体结构和晶格常数，得出 币3 a l c 2 晶体结构属六方晶系，其空间群为p 6 3 m m c l2 j ，晶 格常数为踟3 0 7 5 啪和c = 1 8 5 7 姗，理论密度为4 2 5 9 c m 3 。 在图1 1 所示的啊3 a l c 2 的晶体结构中，c 原子位于1 r i 6 c 的 中心，由a l 原子形成的原子层把以共棱方式紧密堆积的t i 6 c 八面体分隔而形成层状结构”，每个晶胞中有两个币3 a l c 2 分子；其中n 与c 的结合键为强共价键，从而赋予材料高弹 性模量和高熔点的性能；而a l 原子与t i 原子之间及a l 原子 层内部为弱键结合，这种弱键结合类似于石墨层间的范德华 力，使得而3 a l c 2 具有层状结构和自润滑性。以上这些特点 使t i 3 a l c 2 综合了金属和陶瓷的许多优异性能。 翮p _ 一1 迦 _ j卜 吒 一b r 二 ：与 _ j 爿因 ； 宅 i j t i 6 c 图1 1t i 3 a l c 2 的晶体结构 f i g 1 - 1s 仃u c t u 陀o ft i 3 a l c 2 西安理工大学硕士学位论文 1 1 2t i 3 a l c 2 材料的合成制备研究现状 国内外许多学者分别采用了不同的原料配比和不同的制备工艺来制备币3 a 1 c 2 材料， 迄今为止，其合成制备方法主要有以下几种： 1 ) 自蔓延高温合成法( s h s ) 李小雷等1 4 1 采用自蔓延高温合成法，以金属n 粉末、高纯铝粉和碳黑的粉体混合物 为原料，以酒精为媒介球磨混合2 4 小时后冷压成型。反应在压力2 5 m p a ，纯心保护， 1 6 0 0 保温4 h 条件下进行，最终合成n 3 a l c 2 材料。反应方程式为： c + 币= n c ( m i c r o l i t t l e )( 1 1 ) 2 n c + a l + n = 币3 a l c 2( 1 2 ) 实验结果表明：制备t i 3 a l c 2 需要极快的加热速率以防止铝熔化并且改变钛的转移路 线；同时原料配比和点火温度以及加热速率会明显影响其合成。这种制备工艺的反应程度 难以控制，所得1 r i 3 a l c 2 的试样中会同时含有少量t i c 、a 1 2 0 3 和另一种同类三元化合物 t i 2 a l c 等，使得制备试样的纯度不高。 2 ) 热压烧结法( h p ) 由陈艳林等1 5 1 以n ( t i c ) ：n ( t i ) ：n ( a 1 ) ：n ( s i ) = 2 ：1 ：l ：o 2 的配比，在1 3 0 0 1 5 0 0 ，氩气保 护，压力为3 0 m p a 下进行热压烧结。2 0 0 之前，升温速度为5 m i n ，2 0 0 以后，以 6 0 i i l i n 的升温速度达到烧结温度，保温1 h 可合成较致密的n 3 a l c 2 材料。研究结果表 明：以n c 代替c 和部分n 可以减少杂质相t i c 的含量，添加适量的s i 能够促进币3 a l c 2 的合成；同时由于啊3 a l c 2 与t i 3 s i c 2 属于同一系列的材料，其结构和性能相似，因此掺 加少量s i 并没有影响n 3 a l c 2 的结构和性能。 热压烧结法目前应用比较普遍，通过热压烧结可以制备出高纯致密的n 3 c 2 材料， 由于试样的形状和尺寸受到很大的限制，只能烧结出形状简单的试样。 3 ) 热等静压烧结法( h i p ) b a r s o 岫等们采用反应活性热等静压法。将n 、石墨和a 1 4 c 3 的三种粉末混合，在 1 4 0 0 、7 0 m p a 条件下反应1 6 h 后得到了币3 a l c 2 块体试样。由于混合粉末中易潮湿的 a 1 4 c 3 与h 2 0 会发生反应，使得产物币3 a l c 2 中还含有含量约为4 的a 1 2 0 3 。 4 ) 放电等离子烧结法( s p s ) 郭俊明，陈克新等1 7 1 采用n ( n ) ：n ( a 1 ) ：n ( c ) = 3 ：1 1 ：1 8 的摩尔比中添加3 0 的1 r i c 获 得n 3 c 2 粉体材料耵。其烧结制度为：升温速率为2 0 0 i i 血，烧结过程中所加压力为 2 0 m p a ，分别在1 3 0 0 ，1 4 0 0 ，1 4 5 0 和1 5 0 0 的真空下进行烧结，保温5 曲后经3 m i n 迅速冷却到6 0 0 以下。研究结果表明：利用放电等离子快速烧结技术能够将自蔓延高温 合成法制备的n 3 c 2 粉烧结成致密的币3 c 2 块体试样，烧结体的相对密度达9 9 1 ， 维氏硬度为4 2 g p a ：同时，采用放电等离子技术烧结制备的样品片层大小随烧结温度的 升高而增加。 2 1 前言 5 ) 机械合金化法 杨晨，贾树胜等射以t i 粉、a l 粉和c 粉作为反应物原料，并按t i 3 a l c 2 的化学计 量比称量，然后将混合粉与磨球按球料比为5 ：1 装入充有氩气的球磨罐中，在转速为 6 0 0 r m i n 摆动式高能球磨机上进行球磨。实验结果表明：通过机械合金化法可制得百分含 量为8 3 、) 1 ：的n 3 a l c 2 粉体材料；同时还存在以币3 a l c 2 为主晶相的块体材料，它的形成 主要归因于混合粉末在机械合金化过程中爆发了一种自蔓延反应。 从以上文献的研究结果综合表明：t i 3 a l c 2 材料的制各有许多方法，但无论哪种制备 方法，最终所得的物相中都含有碳化物等杂质相。从目前t i 3 a 1 c 2 的制备研究进展来看， 要想获得纯度高且致密的块体材料，必须在烧结工艺上获得突破性的进展。 1 1 3t i 3 a l c 2 材料的性能 a 电学和热学性能 据文献2 们报道，在惰性气体保护下，币3 a l c 2 至少在1 3 0 0 是热稳定的，分解温度 为1 3 6 0 ，室温下它的电导率为2 9 1 0 6 s m ，随着温度的升高其电阻率呈线性减小的趋 势2 ，这说明币3 a l c 2 具有金属导体的特征。t i 3 a l c 2 的热膨胀系数为9 0 1 0 缶k 一，室温 下它的导热系数为2 7 5 w m k ，热容为1 2 5 4 l ( j m o l ，热导率随温度升高而增大，随着温 度的升高热膨胀系数稍有增加2 。 、 b 力学性能 亿n o w 等2 对1 r i 3 a l c 2 试样的力学性能进行测定与分析，在室温下n 3 a l c 2 的杨氏 模量和c k e r s 显微硬度分别为2 9 7 g p a 和3 5 g p a ，弯曲强度和抗压强度分别为3 7 0 士1 5 m p a 和5 6 0 士2 0 m p a 。w a n g 等眩3 采用固液反应烧结法制得n 3 a l c 2 ，在室温下其v i c k e r s 显微 硬度为2 5 4 7 g p a ，弯曲强度3 4 0 m p a ，断裂韧性为7 2m p a m 忱。赫晓东、李庆芬2 4 1 等采用s h s p h i p 法制备n 3 a l c 2 材料，其维氏硬度约为2 9 g p a ，弯曲强度为3 3 0 8 m p a ， 断裂韧度为5 7m p a m 忱，测得室温下最大压缩应力为8 2 2 m p a 。由此可知，采用不同的制 备方法所得材料的性能略有不同，但均能表明t i 3 a 1 c 2 具有良好的力学性能。 币3 a l c 2 陶瓷材料还具有较好的耐损坏性能，由文献2 3 1 可知，一个1 0 k g 的压力加载 于t i 3 a l c 2 陶瓷，仅减少其室温弯曲强度的7 ，这主要归因于在压痕角上不可能产生裂 纹，材料的局部塑性致使压痕周围的弯曲、扭曲和拔出，同时还吸收能量。 c 抗热震性能 t z e n o w 等2 研究证明币3 a i c 2 陶瓷具有较好的抗热抗震性能。当温度高于1 0 0 0 时，在受压变形过程中有明显的塑性特点。w 抽g 等2 3 1 研究了热冲击对币3 a l c 2 陶瓷弯曲 强度的影响，8 0 0 淬冷时，其弯曲强度为2 2 0 m p a ；当温度增加到9 0 0 时，其弯曲强度 降为2 0 0 m p a ；当淬冷温度从l o o o 升高至1 3 0 0 时，其强度值从2 2 0 m p a 反而增大到 3 2 0 m p a ，由此说明n 3 a l c 2 在高温下具有优良的抗热震性能。 d 抗氧化性能 作为一种高温结构材料，良好的抗氧化性能是其重要的使用指标。w 抽g 等吨3 1 研究 3 西安理工大学硕士学位论文 了在8 0 0 1 3 0 0 置于空气下2 0 h 的n 3 a l c 2 的抗氧化性能，总结出试样的氧化动力学曲线 呈抛物线型。随着温度从8 0 0 升高至1 3 0 0 ，试样的单位重量只从o 1 1 0 飞咖2 增加到 o 9 l 1 0 。4 k 咖2 ，说明t i 3 砧c 2 的抗氧化性能较好。赵卓玲，冯小明等2 5 1 研究了热压烧结 制备的n 3 a l c 2 材料在9 0 0 空气中断续氧化3 0 h 后的氧化增重曲线，即单位表面增重与 氧化时间的变化规律，其动力学曲线呈抛物线型。经过氧化3 0 h 后，其氧化层的厚度不超 过1 2 0 岬，表面增重只有3 2 1 l o 4k 咖2 ，其氧化增重较文献7 在1 0 0 0 氧化2 0 h 的少， 由此表明，表面氧化程度与面3 a l c 2 的纯度和致密度有直接关系。在氧化开始阶段，氧化 机制为a 1 3 + 和1 r i 4 + 向外扩散，氧化产物由a 1 2 0 3 和t i 0 2 组成，但是t i 0 2 的生长速度比a 1 2 0 3 快，刖2 0 3 很快被币0 2 包覆，因此在西3 a l c 2 外表面生成了西0 2 的氧化层，其内层生成的 混合物包括t i 0 2 和a 1 2 0 3 。继续被氧化时，0 2 。的向内扩散成为氧化机制，o 玉向内部扩散 与基体中少量的c 反应，生成c o 或c 0 2 逸出，从而使1 r i 3 a l c 2 中紧贴基体的部位生成了 a 1 2 0 3 、t i 0 2 和少量气孔的混合层。因此，氧化层分成三层，由外到内依次为n 0 2 富集层， a 1 2 0 3 和t i 0 2 混合层，a 1 2 0 3 、t i 0 2 和少量气孔的混合层，这与文献的研究2 啦”保持一致， 这主要是因为a 1 2 0 3 和t i 0 2 组成的混合层具有良好的高温抗氧化性能，其附着在材料表 面具有一定的保护作用，能够明显增强材料抵抗高温氧化能力。 e 可加工性能 对于陶瓷的加工性来说，t i 3 a l c 2 陶瓷的加工相比于传统陶瓷就显得比较容易，其优 越性在于它可以利用高速钢刀具进行并且在加工过程中不需要使用冷却液和润滑剂川。 它不会像其他金属那样发生塑性变形而只产生微细薄片的剥落。同时，由于其优良的导电 性能，还可以采用电火花和线切割等特种加工。 c 摩擦磨损性能 w 3 a 1 c 2 材料本身所具有的良好自润滑性能使其在滑动电接触领域具有潜在的应用前 景，如可以用作电动机车的受电弓滑板、电机电刷的候选材料。 翟洪祥等2 们研究了西3 a l c 2 试样与低碳钢对摩时的干滑动摩擦磨损特性。他们发现 在法向压强为o 2 o 8 m p a ，滑动速度为2 晰o i s 时，滑动速度的提高使得试样的摩擦系 数降低，而其磨损率增加：随着法向压强的增大，磨损率也随之增大，但摩擦系数变化不 大。在滑动速度为6 0 i t l s ，法向压强为o 8 m p a 时，摩擦系数只有0 1 左右，其磨损率仅 为2 5 l o 。6 删m 3 ( n m ) 左右。n 3 砧c 2 材料表面摩擦时生成的氧化薄膜使其摩擦系数和磨损 率较低，经检测分析该薄膜的成分为非晶态的f e 、币和的混合氧化物，随着该混合氧 化物生成量的增加，使试样的磨损率都随着法向压强的增加和滑动速度的提高而增大。 刘新等眨钉研究了高纯度币3 c 2 块体材料在载流滑动下与低碳钢盘为摩擦配对物时 的摩擦磨损行为。研究结果表明：在滑动速度为2 晰0 n l s ，法向压强为o 仙8 m p a ，通 电电流为0 、5 0 、1 0 0 a 的条件下，1 r i 3 c 2 仍表现良好的摩擦磨损性。在滑动速度为2 0 i 砒， 法向压强为o 4 m p a ，电流为1 0 0 a 条件下，摩擦系数达到最大值o 3 5 ：在滑动速度为6 0 州s ， 法向压强为0 7 m p a ，电流为1 0 0 a 条件下，磨损率达到最大值8 3 1 0 七咖o ( n m ) 。与相 4 l 前言 同滑动速度和法向压强，无电流情况下的磨损率2 1 0 。6 m m 3 ( n m ) 和摩擦系数0 1 7 相比， 分别增大了约3 2 倍和1 1 倍。t i 3 a l c 2 试样在摩擦过程中，摩擦系数的增大与其摩擦面上 a l f e 0 3 及f e 2 2 5 t i o 7 5 0 4 结晶相的生成量有关，而其磨损率的增加主要归因于放电电弧的烧 蚀作用。 1 2t i 3 a l c 2 材料的应用前景 鉴于t i 3 a l c 2 材料拥有金属和陶瓷的许多性能，其应用前景非常广泛，主要在以下领 域3 0 3 ”： ( 1 ) 轴承材料。t i 3 a l c 2 具有层状结构和自润滑性，抗氧化性能也较好，因此适宜在 高温或其它氧化环境下作为轴承材料使用。 ( 2 ) 高温结构材料。t i 3 a l c 2 良好的抗氧化性和抗热震性以及高温下的塑性和高屈服 点，使其在高温结构方面更具有应用潜力，如用作发动机材料。 ( 3 ) 电接触材料。币3 a l c 2 材料机械强度高，导电导热性能强，又具有良好的耐磨损 性能和自润滑性能，因此可代替石墨作为新一代电极和电刷材料，也适宜用作铁路机车供 电系统的受电弓滑板材料。 ( 4 ) 代替可加工陶瓷。与传统的可加工陶瓷相比，n 3 a l c 2 更具有优势，主要表现为 t i 3 a l c 2 陶瓷在烧结后仍可以进行加工，同时收缩率也较小。 ( 5 ) 磨损和腐蚀保护材料。为了进一步增加币3 a l c 2 材料的表面硬度，可以对其进 行碳化或硅化处理，表面处理原则上可以增加t i 3 a l c 2 材料的耐磨损和耐腐蚀性能。 1 3 研究的意义及内容 1 3 1 研究的意义 t i 3 a l c 2 作为新型的结构与功能一体化材料将在未来拥有比较广泛的应用前景，因此 当今材料界课题研究的热点转向对n 3 a l c 2 的研究。近几年国内外一些材料科学工作者对 t i 3 a l c 2 材料的制备工艺及其组织和性能进行了全面深入的分析研究，并且对其能够用作 电接触材料、高温结构材料、磨损和腐蚀保护材料等方面的应用产生了极大兴趣。上个世 纪9 0 年代，p i e 乞呔a 和s c h u s t e r 川将1 r i a l 、a 1 4 c 3 和c 粉冷压2 0 h 第一次制备了n 3 砧c 2 材料，只是对其晶体结构和晶格常数进行了初步研究，后来国内外出现了各种制备n 3 a l c 2 材料的烧结工艺及制备方法，并且已经达到了一定的技术水平，这也预示着耶3 a l c 2 材料 的应用前景将非常宽广。 尽管制备t i 3 a 1 c 2 材料的方法很多，但合成材料中往往含有t i c 。等杂质相，严重影 响n 3 砧c 2 相的百分比；或者是制备工艺复杂，使得制备成本较高，消耗了更多能源，因 此有必要寻找一种制备工艺简单的合成技术。本文采用反应烧结法制备t i 3 a l c 2 ，研究各 工艺参数对制备试样性能的影响。反应烧结法的特点是在相对较低的温度下实现烧结，且 制备工艺简单，反应速度较快，从而大大降低成本，减少了能源的消耗n 4 1 。本文重点研 西安理工大学硕士学位论文 究烧结温度、保温时间等烧结工艺参数对n 3 a 1 c 2 的合成及其组织性能的影响，并且进一 步分析其反应合成机理。 目前对于用热压烧结法制备的t i 3 a l c 2 陶瓷摩擦磨损性能的相关研究报道较多，但大 多数是在非载流条件下进行的干摩擦磨损试验，并研究其磨损机理和影响因素；只有一部 分研究报道了t i 3 砧c 2 在载流条件下的摩擦磨损性能。因此本文开展了面3 a l c 2 与g c r l 5 钢对磨，研究其在载流和非载流条件下的摩擦磨损性能，并进一步分析各磨损机理，为该 材料的实际应用提供坚实的理论基础。 1 3 2 研究的内容 本课题采用反应烧结技术制备t i 3 a l c 2 以及对其性能进行分析研究。主要研究内容如 下： 1 ) 通过对原料配比、烧结温度、保温时间等工艺参数的详细研究，确定了采用反应 烧结法制备n 3 a l c 2 陶瓷材料的最佳工艺参数，并分析各参数对其组织及性能的影响； 2 ) 分别采用m 衍射仪和s e m 扫描电镜对制备的n 3 a l c 2 陶瓷材料进行物相分析 和微观组织结构观察；采用阿基米德排水法测定t i 3 a l c 2 材料的孔隙率，并且分析气孔产 生的原因： 3 ) 对制备试样的力学性能进行测试分析，主要包括硬度和弯曲强度，分析研究试样 中t i 3 a l c 2 相的百分含量和气孔率对试样的硬度和弯曲强度的影响； 4 ) 通过对面3 a l c 2 材料进行差热( d s c ) 分析来研究各反应原料在反应加热过程中出现 的吸热、放热现象，并分析各现象产生的原因；通过进行热重( t g ) 分析来研究坯体在反应 过程中产生质量变化的原因；结合n a 1 c 系三元相图，分析研究n 3 a l c 2 材料的反应合 成机理： 5 ) 研究币3 a l c 2 陶瓷在载流和非载流条件下的摩擦磨损性能，分析不同载荷、转速 和电流对其摩擦磨损性能的影响，并且进一步分析不同载流条件下的磨损机理。 6 2 实验方法及内容 2 实验方法及内容 反应烧结法是指将按一定比例混合的原料放入烧结炉中，在烧结温度之上，原料中低 熔点相熔化与高熔点相结合，经过一序列化学反应而合成材料的一种烧结方法。 2 1 实验原料 2 1 1 原料配比设计 本实验主要以1 r i 、a l 、c 元素的单质粉末为原料，获得符合制备t i 3 a l c 2 材料的化学 剂量配比。经过查文献，p i e t z l ( a 等1 采用化学方法分析了t i 3 a i c 2 中c 的含量，分析结 果表明1 r i 3 a l c 2 为缺c 化合物。后来，b a r s 0 u m 验证了这一结果，并且确定t i 3 c 2 的 化学式为t i 3 a 1 1 1 c 1 s o 同时，已报道的研究嘟。7 1 表明：三元层状碳化物在合成过程中原 料粉末中的低熔点元素易发生挥发，因此所合成材料的纯度与原始粉末中低熔点元素的挥 发密切相关。本文主要采用反应烧结法来制备1 r i 3 a l c 2 材料，为了补偿t i a 1 c 体系在反 应烧结过程中a l 的挥发，因此在原料配比中特意增加了a l 的含量，即原料配比设计为 t i ：砧：c = 3 ：x ：1 8 ，通过调整a l 的含量来寻求符合反应烧结的最佳原料配比。 2 1 2 原料的特性 实验原料的特性如表2 1 所示。 表2 - 1 原料特征 t l b l e 2 1t h ec h 甜a c t e r i s t i c so fm wm a t r i a l s 2 2 工艺过程及方案 试验首先将原料n a l c 压制成坯体，再将坯体放入反应烧结炉中按照设定工艺进行 反应烧结，然后利用x r d 测定烧结好的试样的相组成，通过s e m 分析观察试样的组织 结构，最后测定其物理性能及摩擦磨损性能。试验的技术路线图如图2 1 所示。 2 2 1 原料制备 a 混料 混料是坯体制备过程中的重要环节。本实验采用机械混合法，即通过直接搅拌混合 1 2 h 达到相对均匀。 7 西安理工大学硕士学位论文 b 添加粘结剂 为了使混合均匀后的粉末原料能够很好的粘结在一起，防止混合料离析现象产生，提 高坯体的强度日钉，因此本实验在混合均匀的原料中加入一定量的酚醛树脂作为粘结剂。 粘结剂的添加量影响坯体的成型。如果添加量太少，则起不到粘结作用，也会使成型 坯体的强度不高：若添加量过多，使得原料产生流动，则会影响原料的压制成型效果。本 实验中粘结剂的最佳添加量为8 叭。 2 2 2 压制 本实验的原料粉末采用模压成型，粉末在受压后具有一定的强度和形状，并且变得较 为致密。先将混合后的粉末装入m 3 0 栅的模具里，并在压力机上压制成型。其中，压制 压力为1 9 0 m p a ，保压时间为3 m i n ，压坯高度为8 1 0 舢m 。 2 2 3 干燥 由于坯体中含有一定量的酚醛树脂，因此在烧结前对含有粘结剂的坯体进行干燥固化 以提高其强度。为避免坯体发生胀裂，必须在较低温度下以缓慢的速度进行干燥。具体方 法是将坯体放入s h d 型电热式干燥箱于1 2 0 温度下干燥6 h 。 2 2 4 烧结 本实验所用的烧结实验设备为：s b g 0 7 h 型气氛保护高温烧结炉( 额定功率：5 0 k w ： 电源：3 8 0 v ，5 0 h z ，三相：最高温度：1 8 0 0 ) ，在心气保护下进行烧结。 8 图2 一l 试验的技术路线图 f i g 2 l 融h n o l o 斟m a d m a po ft h ee x p c 硒e n t 2 实验方法及内容 纵工艺参数 烧结气氛：氩气保护； 升温速率：在5 0 一5 0 0 区间，其升温速率为l o m i n ，是为了排除空气中残留的水蒸气、 氧气及酚醛树脂分解所释放的气体，避免坯体试样发生胀裂：5 0 0 以后升温 速率变为2 0 m i n ，旨在减少生成液相的挥发，促成物相的合成； 烧结温度：l l o o 、1 2 0 0 、1 3 0 0 、1 4 0 0 ： 保温时间：o h 、o 5 h 、l h ： 冷却速度：氩气保护，随炉冷却。 b 烧结方案 烧结工艺中，针对烧结温度和保温时间两个影响烧结的主要工艺参数，设计了两种烧 结工艺方案，从而确定出最佳的烧结温度和保温时间，其烧结工艺流程分别如图2 2 和 图2 - 2 不同烧结温度下的工艺流程图 f i g 2 2p r 0 s sc h a r to fd i f f e r c n ts i n t e r i n gt e m p e 胁r e 图2 3 不同保温时间下的工艺流程图 f i g 2 - 3p n d c e s sc h a n0 f d i l 弛r e n th o 】d i n gt i m e 2 3 组织分析及性能测试 2 3 1 组织分析 9 西安理工大学硕士学位论文 a 物相分析 采用x 射线衍射分析试样的相组成，使用的衍射分析仪器( 生产商：日本岛津公司； 型号：x r d 一7 0 0 0 型；测试条件为：c u 靶k q 线，波长九= o 1 5 4 1 啪，管压4 0 k v ，管流4 0 m a ， 2 0 的范围是2 0 0 8 0 0 ) 。 x 射线衍射对物相定量分析的方法很多，对粉体材料，如可以用内标法、k 值法、 绝热法等；而对块体材料，其中各相的百分含量( ) 可由式( 2 1 ) 计算得出3 臼： 厶 彤= - = 竺i - l o o ( 2 1 ) i打 r 、 ， 善老 式中：w l 第l 相的百分含量； i l 第1 相的衍射强度； k l 第l 相的参比强度； i i 第i 相的衍射强度； k i 第i 相的参比强度( i = 1 ，2 ，3 ，) 。 b 显微组织分析 利用s e m 扫描电镜观察t i 3 a l c 2 试样的表面和断口形貌的显微组织，进一步分析采用 反应烧结法制备的n 3 a l c 2 材料在组织和性能上的变化规律。 c 热分析 利用热分析仪( 型号：d z 3 3 3 2 型，升温速率：l o m i n ) 分析原料在反应过程中的 变化。热重曲线记录了物质的质量变化与温度的关系，因而可以用物质的热重曲线来研究 物质的热变化过程。差热分析( d t a 曲线) 是通过物质在加热过程中特定温度下的吸热、 放热现象来研究物质的各种性质。因此，通过观察热重( t g ) 和差热( d t a ) 曲线来分析原料 在反应过程中各物相之间的变