Ti2SnC/ZA27复合材料的制备及摩擦磨损性能研究

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锌铝合金具有良好的力学性能、良好的摩擦磨损特性、较低的原材料成本;三元层状化合物Ti2SnC综合了金属与陶瓷的优异性能,可作为一种新型颗粒增强相用于强化锌铝合金,制备出性能更优的复合材料。本研究采用不同工艺制备了不同组分的Ti2SnC/ZA27复合材料,对材料的密度、硬度、抗弯强度、抗拉强度和摩擦磨损性能等进行了测试,并利用XRD、SEM、EDS等手段对材料的组成与微观结构进行了分析。研究结果表明:(1)以Ti粉、Sn粉和石墨粉为原料制备Ti2SnC粉体时,烧结温度和升温速率均会对Ti2SnC纯度产生影响。真空条件下,将摩尔比为Ti:Sn:C= 2:0.9:0.85的混合原料以5℃/min的速率升温至1260℃并保温2h所合成的Ti2SnC粉体纯度最高。(2)Ti2SnC/ZA27复合材料的性能受到增强相含量影响。在烧结温度为870℃,保温时间1h,加压压力30MPa的条件下,随着增强相TiSnC含量增加,复合材料的硬度提高,40vol%Ti2SnC/ZA27复合材料的硬度最高,达1.21GPa;复合材料的相对密度随增强相含量的提高而下降,10vo%Ti2SnC/ZA27复合材料的相对密度最大,为94.9%,与ZA27合金基体相近;复合材料的力学性能随增强相含量的增加先增大后减小,30vol%Ti2SnC/ZA27复合材料拥有最佳的抗拉强度与抗弯强度,分别为308MPa和509MPa。(3) Ti2SnC/ZA27复合材料的性能受到烧结温度的影响。在无压烧结工艺下,30vol%Ti2SnC/ZA27复合材料的相对密度、硬度、抗拉强度与抗弯强度均随烧结温度的升高而增加,在烧结温度为870℃时复合材料的力学性能最高,其相对密度为90.9%,维氏硬度为804MPa,抗拉强度与抗弯强度分别为262MPa和361MPa。进一步提高烧结温度将导致Zn的大量挥发。(4)在ZA27基体中添加Ti2SnC增强颗粒,能够有效提高材料的耐磨性,降低摩擦系数。在Ti2SnC含量为10-30vo1.%范围内,随着增强相含量的增加,复合材料的摩擦磨损性能不断得到改善。在滑动速度3m/s、法向压强0.2MPa的实验条件下,与ZA27基体合金相比,30vol.%Ti2SnC/ZA27复合材料的摩擦系数下降了41%,磨损率减小了62.5%。Ti2SnC/ZA27复合材料的磨损机制以粘着磨损为主,并伴有磨粒磨损和氧化磨损。
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