《Ti3AlC2增強鋅基複合材料的界面結構與摩擦學特性研究》是依託北京交通大學，由周洋擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Ti3AlC2增強鋅基複合材料的界面結構與摩擦學特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：周洋
- 依託單位：北京交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋅合金耐磨性能優良，廣泛套用於各種耐磨密封件，但因高溫性能差，套用範圍受到很大限制。顆粒增強鋅基複合材料是改善鋅合金高溫性能和耐磨性能的有效手段，但由於增強相與基體之間潤濕性差、熱失配大等原因，其性能仍不理想。三元層狀陶瓷Ti3AlC2兼具金屬和陶瓷的諸多優良特性，由層狀結構所致的良好自潤滑性有助於提高複合材料耐磨性；而Ti3AlC2介於陶瓷和金屬之間的熱膨脹係數，使其與鋅合金之間的熱失配小於其它複合體系；更重要的是，Ti3AlC2晶格中結合能較低的Al原子在高溫下部分脫出，可與同樣含有合金元素Al的鋅合金基體形成潤濕良好的界面。這些獨特優勢使得Ti3AlC2成為鋅合金增強相的不二選擇。本項目在最佳化Ti3AlC2增強鋅基複合材料製備技術基礎上，深入研究基體與增強相之間界面潤濕性的影響因素及其控制方法以及複合材料摩擦磨損特性、機理及其影響因素，為開發高性能的新型鋅基複合材料奠定基礎。
結題摘要
鋅鋁合金具有優良的力學性能、耐磨性和低成本，是一種套用廣泛的滑動軸承合金材料。三元層狀化合物Mn+1AXn陶瓷（Ti3AlC2、Ti3SiC2、Ti2SnC等）綜合了金屬與陶瓷的優異性能，是一種優選的顆粒強化相。本項目分別採用無壓燒結、熱壓燒結以及無壓燒結-加壓緻密化兩步法工藝製備了不同組分的Mn+1AXn/ZA27複合材料，研究了材料組分和工藝參數對複合材料結構與性能的影響，取得以下主要成果： （1）Mn+1AXn陶瓷作為鋅鋁合金增強相的一個獨特優勢是它能夠在顆粒與基體的界面上發生分解反應，有利於改善兩者間的界面結合，提高材料的力學性能。三種Mn+1AXn增強相中，Ti2SnC最易反應，Ti3AlC2能發生較微弱的反應，Ti3SiC2幾乎不發生反應。 （2）在本項目所採用的三種製備工藝中，無壓燒結-加壓緻密化兩步法為最佳製備工藝。 （3）在鋅鋁合金中添加Mn+1AXn增強相，能降低材料的摩擦係數，提高耐磨性。隨Ti3AlC2體積含量從10%增加到30%，Ti3AlC2/ZA27複合材料的摩擦磨損性能明顯改善。與ZA27基體合金相比，30 vol.%Ti3AlC2/ZA27複合材料的摩擦係數下降了56%，磨損率減小了60.9%。複合材料以粘著磨損為主，並伴有磨粒磨損和氧化磨損。 （4）無壓燒結Ti3AlC2/ZA27複合材料的最優工藝為：870℃氬氣保護下燒結150min，此時Ti3AlC2在基體與顆粒界面發生微弱分解反應，有助於改善界面結合。隨燒結溫度升高，複合材料的密度、硬度和強度增大；隨Ti3AlC2含量增加，複合材料的密度下降，硬度上升。30 vol.%Ti3AlC2/ZA27複合材料具有最佳的抗彎強度497MPa和抗拉強度295MPa。 （5）熱壓燒結Ti3AlC2/ZA複合材料的性能與基體合金成分相關，三種基體合金ZA8、ZA12、ZA27中，ZA27基複合材料性能最好。在460℃、25MPa保溫1h條件下熱壓製備的20vol.%Ti3AlC2/ZA27複合材料具有最優的抗彎強度330MPa和維氏硬度115HV。 （6）兩步法製備Ti3AlC2/ZA27複合材料的最優工藝為：870℃氬氣保護下燒結60min，降溫至500℃加壓30MPa保溫90min。兩步法製備的30vol.%Ti3AlC2/ZA27複合材料具有最高抗彎強度570MPa和抗拉強度335MPa。
