钛铝锡碳固溶体的制备及摩擦学性能研究

发布时间：2018-05-22 10:45

  本文选题：Ti_3Al_(1.2-x)Sn_xC_2(x=0 + 0.2　； 参考：《北京交通大学》2015年硕士论文

【摘要】：近年来高技术工业的发展对在更大温度范围使用的低磨损率、低摩擦系数或适当而稳定摩擦系数的新型材料有很大需求,超过50种热力学稳定物相的纳米层状结构的MAX相陶瓷近年来受到越来越多的关注。在空气环境中进行滑动摩擦,MAX相陶瓷(如TiAlC2、Ti3SiC2等)所表现出的A位自生成氧化物薄膜对其摩擦学特性的支配性作用已在本课题组前期工作中得到证实。本论文主要研制具有优异性能和摩擦学表面自适应的Ti3Al1.2-xSnxC2(x=0～1)固溶体,通过调节Ti3Al(Sn)C2中Al和Sn的含量来调节摩擦氧化物薄膜的组成和物理形态,从而调控该体系材料的摩擦学特性。 本文以Ti粉、Al粉、Sn粉和TiC粉为原料,采用真空无压烧结(1450℃保温10min,Ar氛围)的方法合成了高纯度Ti3Al1.2-xSnxC2(x=0,0.2,0.4)粉体,之后采用二次热压烧结(1450℃保温30min,加压30MPa, Ar氛围)的方法制备了高纯高致密的Ti3Al1.2-xSnxC2(x=0,0.2,0.4)块体；以Ti粉、Sn粉和石墨粉为原料,采用原位热压烧结(1270℃保温1h,加压30MPa,真空氛围)的方法制备了高纯高致密的Ti2SnC陶瓷块体材料。Ti3Al(Sn)C2固溶体的晶粒呈板状晶形貌,在相同制备条件下,随着Sn含量的增加,其晶粒尺寸逐渐减小；晶格参数α随Sn含量的增加逐渐增加,而c基本保持不变。 添加Sn后,Ti3Al(Sn)C2固溶体材料表现出明显的增强效应。添加0.2Sn和0.4Sn后,显微硬度分别增加至3.53GPa和3.51GPa,比Ti3AlC2的显微硬度(～3.1GPa)增加了约12%,弯曲强度分别增加至560MPa和620MPa,比Ti3AlC2的弯曲强度(-370MPa)分别增加51%和67%。Ti3Al(Sn)C2固溶体具有如此好的力学特性和良好的抗损伤特性主要与其在变形断裂过程中出现的晶粒屈曲、分层、弯折带形成和裂纹偏转等现象有关。 Ti3Al(Sn)C2固溶体对低碳钢干滑动摩擦时,表现出良好的摩擦学特性;Sn的加入使得该材料体系摩擦系数可调,并保持良好的耐磨性。在10～30m/s滑动速度和20～80N法向载荷条件下,摩擦系数在0.13～0.46范围内可调,而磨损率在1.3～7.9×10-6mm3/N·m范围内变化,仍保持在较低水平。随着滑动速度和法向载荷的增大,Ti3Al(Sn)C2固溶体材料的摩擦系数逐渐减小并趋于稳定,而磨损率略有上升。随Sn添加量的增加,摩擦系数增加,在30m/s滑动速度下,在20-80N的载荷范围内,Ti3AlC2的摩擦系数为0.13～0.16,加入0.2Sn和0.4Sn后,摩擦系数分别在0.26～0.30之间和0.30～0.33之间变化。 Ti3Al(Sn)C2固溶体可调的摩擦系数和优良的耐磨特性主要归因于在摩擦过程中,其表面形成了一层摩擦自适应的氧化物薄膜。该氧化物薄膜由Ti、Sn、Al和Fe的氧化物组成,其厚度为0.5-1.5μm。加入不同含量的Sn,使得氧化物薄膜的物相组成和比例不同,这导致摩擦过程中氧化物薄膜的物理形态也不同,从而影响了材料的摩擦学特性。在实验条件下,Ti3AlC2材料的摩擦氧化物薄膜为非晶态,在摩擦过程中呈熔融状态,因而具有非常小的摩擦系数和磨损率;而Ti3AlSn0.2C2的摩擦氧化物薄膜为非晶态和晶态氧化物的组合,Ti3Al0.8Sn0.4C2的摩擦氧化物薄膜为晶态,在摩擦过程中处于软化状态,因而摩擦系数有所增大而磨损率仍保持较低水平。
[Abstract]:In recent years , the development of high - tech industry has great demand for new materials with low wear rate , low friction coefficient or proper and stable friction coefficient used in larger temperature range , and MAX phase ceramics of nano - layered structure with more than 50 thermodynamic stability phases have been paid more and more attention in recent years . The main research is to develop TiAl1.2 - xSnxC2 ( x = 0 ~ 1 ) solid solution with excellent performance and tribology surface , and adjust the composition and physical form of the friction oxide film by adjusting the content of Al and Sn in Ti3Al ( Sn ) C2 , thus regulating the tribological characteristics of the system material .

In this paper , Ti powder , Al powder , Sn powder and TiC powder were used as raw materials , and high purity TiAl1.2 - xSnxC2 ( x = 0 , 0.2 , 0.4 ) powder was synthesized by vacuum pressure - free sintering ( 1450 鈩，

本文编号：1921745