粉末冶金法制备Cu-Ti2SnC-NbSe2复合材料及其性能研究

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三元层状陶瓷Ti2SnC具有优良的导电性能,稳定的热性能及较高的弹性模量,层状结构赋予其一定的自润滑性,作为一种极具潜力的铜基复合材料增强相受到广泛的关注。已有的相关研究表明,当Ti2SnC粒度细小,体积分数较小时,其对铜基体的增强效果有限,因此笔者试图通过引入第二类增强相NbSe2来提升材料的综合性能。层片状结构的NbSe2作为一类新型固体润滑剂具有良好的导电性与自润滑性能,六方片状结构使其在铜基体中分散性好,不易团聚,将对铜基体产生进一步的强化。本文首先制备增强相Ti2SnC和NbSe2,然后通过粉末冶金法制备Cu-Ti2SnC-NbSe2复合材料,研究两类增强相不同配比时铜基复合材料的各项性能,确定最佳的增强相配比分数。研究制得的Cu-Ti2SnC-NbSe2复合材料应该兼具良好的强度、硬度、导电性及摩擦磨损性能,主要作为电接触材料使用。本文首先制备Ti2SnC增强相,分别研究了烧结温度,保温时间,制坯压力等工艺参数对最终产物物相成分的影响。最终制得的Ti2SnC粉体采用行星式球磨进一步细化粉体粒度。经除杂后用激光粒度分析粉体粒径大小。利用真空封管工艺将酒精介质湿混均匀的Nb-Se粉体装入石英管内,加热至780℃保温1h制得六方片状结构NbSe2粉体,通过激光粒度分析粉体粒径大小。将不同体积配比的Cu-Ti2SnC-NbSe2粉体球磨混合均匀,采用粉末冶金热压烧结法制备铜基复合材料。对不同工艺条件下制备所得的Cu-Ti2SnC-NbSe2复合材料,采用金相光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)等对复合材料物相组成及微观结构进行分析,测试了复合材料的物理及力学性能,包括致密度、显微硬度、电导率、摩擦系数和热轧后复合材料的抗拉强度,研究了烧结工艺参数、两类增强相相对含量对复合材料性能的影响规律。实验结果表明:(1)Ti-Sn-C反应体系在1200℃反应生成高纯度的Ti2SnC,Sn既是反应物同时也是生成物。当增大制坯压力至70MPa时,反应在1175℃保温1h,或者在1200℃保温0.5h即可生成高纯度的Ti2SnC粉体。利用行星式球磨300rpm,球磨时间0.75h,粉体将获得最佳的细化效果,激光粒度分析表明粉体的平均粒径为0.790μm。将加热合成的NbSe2进行激光粒度分析,结果表明粉体的平均粒径为7.495μm。(2)将球磨混合的Cu-Ti2SnC-NbSe2粉体通过热压烧结制备铜基复合材料,根据两类增强相的性质选择烧结温度为850℃,选取A5粉体为代表,测试其在850℃不同保温时间下制得试样的显微硬度及电导率,确定最佳的保温时间为2h,在该保温时间下复合材料具有较好的综合性能。将混合均匀的A1-A9粉体通过热压烧结850℃,45MPa,保温2h制得复合材料试样。(3)对各试样分别进行致密度、显微硬度、摩擦系数、电导率及轧制后的抗拉强度的测量及分析,实验结果表明两种增强相共同增强的效果要比单一增强相增强的效果佳。当复合材料中Ti2SnC的体积分数为7%,NbSe2的体积分数为3%时,材料具有最佳的综合性能。
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