多粒径TiB2/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为

采用粉末冶金工艺制备了不同配比的多粒径(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂/Cu复合材料。通过JF04C触点材料测试系统对多粒径TiB₂/Cu复合材料进行耐电弧侵蚀性能试验,研究(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比分别为1∶1∶1、1∶1∶3、1∶3∶1、3∶1∶1时,TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能及电弧侵蚀形貌变化规律,探究多粒径配比对TiB₂/Cu复合材料表层耐电弧侵蚀行为的影响。结果表明:当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比为1∶1∶1时,TiB₂/Cu复合材料相对密度和导电率最高,分别为99.1%和87.1%IACS。当(2 μm+10 μm+50 μm) TiB₂颗粒质量比为1∶1∶1和1∶3∶1时,TiB₂/Cu复合材料的组织均匀性较好,电弧侵蚀后材料损失相同,材料转移量最少。其中,质量比为1∶3∶1时,TiB₂/Cu复合材料平均燃弧能量最低,且燃弧时间和燃弧能量最稳定。研究表明,这与复合材料的综合物理性能密切相关。在颗粒增强Cu基复合材料设计过程中,引入合适配比的多粒径TiB₂颗粒有助于提高TiB₂/Cu复合材料的密度、导电率等综合物理性能。电弧侵蚀过程中,不同粒径的TiB₂颗粒相互协同作用,有助于提高TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能和服役稳定性。      

不同TiB2颗粒粒径的TiB2/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结法（SPS）制备了不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料,研究了3wt% TiB₂/Cu复合材料致密度、导电率、硬度和耐电弧侵蚀性能随TiB₂颗粒粒径的变化规律,重点分析了不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料耐电弧侵蚀行为。结果表明:3wt% TiB₂/Cu复合材料致密度和硬度随TiB₂颗粒粒径的增大而略有降低;TiB₂颗粒粒径越小,TiB₂/Cu复合材料的综合性能越好。随着TiB₂颗粒粒径的增大,3wt% TiB₂/Cu复合材料耐蚀稳定性降低,3wt% TiB₂/Cu阴极材料的损耗量明显增加;当TiB₂颗粒粒径为10 μm时,3wt% TiB₂/Cu复合材料的耐电弧侵蚀性能最佳。电弧蚀形貌观察表明:不同TiB₂颗粒粒径的3wt% TiB₂/Cu复合材料经电弧侵蚀后,3wt% TiB₂/Cu复合材料均由阴极向阳极发生转移;随着TiB₂颗粒粒径的增大,阴极质量损耗逐渐增加,触头表面电弧侵蚀面积增加;而在Cu基体中引入较小的TiB₂颗粒,有利于减弱电接触实验过程中TiB₂/Cu复合材料的喷溅现象。      

SiC 和Gr 颗粒混杂增强Al 基复合材料的摩擦磨损特性的研究

比较了SiC 和Gr 颗粒混杂增强Al 基复合材料的干摩擦磨损行为, 并与单一SiC_P 和单一G_rP 增强Al 基复合材料的相应行为进行了比较。结果表明, 在低载荷(< 30 N ) 时, SiC_P 和G_rP 能协调作用, 使混杂复合材料的摩擦系数和磨损率均比单一SiC_P 和G_rP 增强复合材料低。在较高载荷(30～ 120 N ) 时, 混杂复合材料磨损以剥层磨损机制为主, 摩擦系数比单一SiC_P 增强复合材料低, 磨损率比单一G_rP 增强复合材料低得多, 比单一SiC_P 增强复合材料高。混杂复合材料对偶件的磨损比单一SiC_P 增强复合材料低得多。      

无压熔渗制备TiC/Ti3SiC2复合材料高速载流摩擦磨损性能

采用无压熔渗反应烧结技术制备了TiC/Ti₃SiC₂复合材料,通过HST-100型载流摩擦磨损试验机,在60~90 m/s滑动速度范围内,对TiC/Ti₃SiC₂复合材料的高速载流摩擦磨损性能进行了研究。结果表明：当与HSLA80配副时,TiC/Ti₃SiC₂的摩擦磨损性能与摩擦速度和TiC含量呈现出一定的相关性。当摩擦速度小于80 m/s时,摩擦表面出现具有减磨作用的熔融状态的均匀分布氧化膜（FeTiO₃和Fe_2.35Ti_0.65O₄）,呈现山脊及犁沟状形貌,磨损机制以磨粒切削磨损、氧化磨损及粘着磨损为主;当摩擦速度超过80 m/s时,摩擦表面出现不均匀分布的氧化膜,呈现孤峰状形貌,磨损机制以氧化磨损及电弧烧蚀磨损为主。相同实验条件下,摩擦系数随着TiC含量的增加而增大,磨损率随之降低。     

三维网络Al2O3增强球墨铸铁基复合材料摩擦磨损性能

采用SRV摩擦磨损试验机研究了球墨铸铁及三维网络Al₂O₃增强球墨铸铁基复合材料的干摩擦磨损性能, 测量了球墨铸铁和复合材料在不同摩擦频率及载荷下的摩擦系数和磨损率; 用扫描电镜观察磨损表面形貌, 并分析了三维网络Al₂O₃对复合材料磨损机制的影响。结果表明: 陶瓷与金属基体之间具有良好界面结合的三维网络Al₂O₃/球墨鋳铁复合材料, 其摩擦系数随载荷和摩擦频率的变化保持稳定; 复合材料的耐磨性能远优于球墨铸铁, 而且随着摩擦频率和载荷的增加, 复合材料的抗磨损性能明显提高。这是由于复合材料中陶瓷与金属相之间三维空间结构和良好的界面结合有利于摩擦载荷的传递; 金属基体中的石墨减摩作用保持摩擦系数的稳定; 三维陶瓷骨架在磨损表面形成硬的微突体并起承载作用, 制约了基体的塑性变形和高温软化, 有利于磨损表面氧化膜的留存。     

不同粒径TiB2/Cu复合材料热传导模拟与实验

采用ANSYS对不同粒径TiB₂/Cu复合材料热传导过程进行模拟。采用粉末冶金法制备了不同粒径TiB₂增强的Cu复合材料,采用LINSEIS LFA1600激光导热仪测试了室温至280℃下的TiB₂/Cu复合材料热传导性能变化,并与模拟结果进行对比。结果表明:热导率模拟结果与实验结果吻合较好。在50~200℃之间,复合材料热导率变化不大,在6%~9%范围内波动。200℃之后,模拟值与实验值均呈现出随温度升高而增大的趋势,且吻合度较高。这是由于温度低于200℃时,在模拟过程中未考虑材料界面处两相不同热膨胀系数的影响,导致模拟值与实验值有较大的差异。当温度高于200℃时,模拟值和实验值吻合程度趋于稳定。在200℃时,由于两相热膨胀系数的影响,复合材料内部界面处等效应力大于Cu基体屈服强度,使其发生塑性变形,从而引起热导率发生较大幅度变化。此外,热导率随着TiB₂粒径的增大呈现出先提高后降低的趋势,在10 μm时达到最大。这是由于当颗粒直径小于临界平均直径时,颗粒直径的增大会减少界面数量,从而降低界面热阻。当颗粒直径大于临界平均直径时,平均自由程l的急剧增加导致热导率降低。      

三维网络结构Al2O3陶瓷/高铬铸铁复合材料干摩擦磨损性能

采用往复式滑动摩擦磨损（SRV）试验机研究了高铬铸铁及三维网络结构Al₂O₃陶瓷增强高铬铸铁复合材料的干摩擦磨损性能,测量了高铬铸铁和Al₂O₃陶瓷/高铬铸铁复合材料在不同摩擦频率及载荷下的摩擦系数和磨损率;用扫描电镜观察磨损表面形貌,并分析了三维网络Al₂O₃陶瓷对复合材料磨损机制的影响。结果表明：陶瓷Al₂O₃与高铬铸铁基体之间具有良好的界面结合,复合材料的摩擦系数随摩擦频率和载荷的变化保持稳定,耐磨性远优于高铬铸铁,而且随着摩擦频率和载荷的增加,Al₂O₃陶瓷/高铬铸铁复合材料的抗磨损性能明显提高,这是由于复合材料中Al₂O₃与高铬铸铁相之间三维空间结构和良好的界面结合有利于摩擦载荷的传递;三维Al₂O₃陶瓷骨架在磨损表面形成硬的网络突体并起承载作用,能有效保护金属基体;磨损机制为氧化磨损及磨粒磨损共同作用。     

基于正交设计的纳米蛇纹石-纳米氧化镧/聚四氟乙烯复合材料在沙尘环境下的摩擦学性能

以聚四氟乙烯(PTFE)为基体,采用正交实验法研究了纳米蛇纹石(nano Serpentine)、纳米氧化镧 (nano La₂O₃)和环境三种因素对nano Serpentine-nano La₂O₃/PTFE复合材料摩擦学性能的影响。采用自制沙尘模拟装置改进现有的 MMU-5G摩擦磨损试验机对nano Serpentine-nano La₂O₃/PTFE复合材料进行摩擦学实验。通过SEM观察试样磨损表面和转移膜形貌,分析nano Serpentine-nano La₂O₃/PTFE复合材料磨损机制。结果表明:环境因素对nano Serpentine-nano La₂O₃/PTFE复合材料的摩擦系数影响最大,干摩擦摩擦系数比沙尘环境下摩擦系数低;nano Serpentine含量对nano Serpentine-nano La₂O₃/PTFE复合材料的磨损率影响最大,当nano Serpentine质量分数为9wt%时,nano Serpentine-nano La₂O₃/PTFE复合材料的总体磨损率最低。nano Serpentine-nano La₂O₃/PTFE复合材料的干摩擦的磨损机制主要为黏着磨损,沙尘环境的磨损机制主要为磨粒磨损。      

铸态Al-4. 5Cu/TiB2 复合材料组织和性能的研究

提出一种新型的原位反应合成工艺——熔体反应法, 以TiO₂、H₃BO₃、Na₃AlF6 和Al-Cu 合金为原材料, 采用熔体反应法制备了低成本的内生颗粒增强Al-4. 5Cu/TiB₂ 复合材料。TiB₂ 颗粒细小, 平均尺寸为0. 93 Lm, 均匀分布于基体之中, 与基体结合良好。当TiB₂ 的含量为10 vo l% 时, 复合材料的抗拉强度为416. 7M Pa, 屈服强度为316.9M Pa, 延伸率为3. 3%。      

钛酸钾晶须-玻璃纤维/苯并噁嗪混杂复合材料的摩擦磨损性能

利用六钛酸钾晶须（K₂O·6TiO₂）对苯并噁嗪（BOZ）树脂及玻璃纤维/苯并噁嗪（GF/BOZ）复合材料的摩擦磨损性能进行改性,分析了K₂O·6TiO₂/BOZ复合材料以及K₂O·6TiO₂-GF/BOZ混杂复合材料的摩擦磨损性能以及改性机理。结果表明:因K₂O·6TiO₂的加入,K₂O·6TiO₂/BOZ复合材料以及K₂O·6TiO₂-GF/BOZ混杂复合材料的摩擦系数和比磨损率较纯BOZ树脂和GF/BOZ复合材料的明显降低。K₂O·6TiO₂显著减轻了BOZ树脂和GF/BOZ复合材料的摩擦粘着状况,使摩擦系数降低,同时磨粒磨损情况也大为减轻。GF/BOZ复合材料在摩擦过程中摩擦应力通过率先破坏GF和BOZ树脂的界面,进而诱发破坏GF束内、GF束间和层间BOZ树脂,使得GF/BOZ复合材料的摩擦系数比BOZ树脂降低,但比磨损率较BOZ树脂升高,而K₂O·6TiO₂的加入,使K₂O·6TiO₂-GF/BOZ混杂复合材料的比磨损率有效降低。BOZ树脂、GF/BOZ、K₂O·6TiO₂-GF/BOZ 3种材料的摩擦系数和比磨损率分别为0.34和0.66×10-6 mm3·（N·m）-1,0.19和1.2×10-6 mm3·（N·m）-1,0.09和0.69×10-6 mm3·（N·m）-1。      

TiB2/Cu复合材料的电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结法（SPS）制备TiB₂质量分数为1wt%~5wt%的TiB₂/Cu复合材料,测试其导电率和硬度。当TiB₂质量分数由0增至5wt%时,复合材料的导电率由96.9%（International Annealed Copper Standard,IACS）降至65.1%（IACS）,布氏硬度由42.8增至65.2。对所制备的不同TiB₂质量分数的TiB₂/Cu复合材料在直流24 V、不同电流条件下进行电接触实验,探究TiB₂添加量和电流对TiB₂/Cu复合材料耐电弧侵蚀性能的影响。结果表明,TiB₂/Cu复合材料的平均燃弧时间、平均燃弧能量和材料损耗量随着电流的增加而增加,TiB₂/Cu复合材料的阴极损耗量高于阳极,整体上TiB₂/Cu复合材料由阴极向阳极转移。在24 V和25 A条件下,不同TiB₂质量分数的TiB₂/Cu复合材料的燃弧时间和燃弧能量随操作次数增加不断波动,整体上呈逐渐增加的趋势,3wt% TiB₂/Cu复合材料的稳定性最高,平均燃弧时间和燃弧能量最低。随着TiB₂质量分数的增加,TiB₂/Cu复合材料损耗量降低,表面蚀坑变浅。     

放电等离子烧结Ni/TiB2-TiC复合材料微观组织及磨损性能

采用放电等离子烧结技术,以Ni、Ti、B₄C混合粉末为原料制备Ni/TiB₂-TiC复合材料,分析了Ni含量对复合材料的物相组成、组织结构、硬度和耐磨性的影响。结果表明：Ni/TiB₂-TiC复合材料主要物相为γ-Ni、TiB₂和TiC,其中TiB₂呈矩形条状和多边形状,TiC则呈现不规则块状;随着原始粉末中Ni含量的增加,TiB₂和TiC陶瓷相尺寸减小,其在Ni粘结相中的分布呈现出均匀化的趋势,复合材料更加致密。Ni含量显著影响Ni/TiB₂-TiC复合材料的耐磨性和磨损机制,Ni含量较低时（20wt%和30wt%）,复合材料摩擦系数（COF）较大且存在明显的波动,出现严重的疲劳磨损;随着Ni量的增加（40wt%）,材料的COF降低且趋于平稳,表现为微切削磨损;当Ni含量持续增加时（50wt%）,由于局部Ni的聚集导致粘着磨损产生,COF有所上升,耐磨性反而下降。     

碳纳米管和TiB2混杂增强铜复合材料的电弧侵蚀行为

采用放电等离子烧结（SPS）工艺制备出不同混杂比例碳纳米管（CNTs）和TiB₂混杂增强铜（CNTs-TiB₂/Cu）复合材料,对复合材料致密度、硬度、导电率、导热率和显微组织进行了对比和分析。同时对复合材料进行了电接触试验,研究了不同电流条件下CNTs与TiB₂混杂比例对CNTs-TiB₂/Cu复合材料电弧侵蚀行为的影响。结果表明:随着CNTs与TiB₂混杂比例的增加,CNTs-TiB₂/Cu复合材料的密度、硬度、导电率和导热率逐渐降低,铜基体晶界分离现象越来越明显;在特定电流条件下,合适的CNTs-TiB₂混杂比例可提高CNTs-TiB₂/Cu复合材料的抗电弧侵蚀性能;当电流为5 A和10 A时,CNTs与TiB₂混杂比例为4∶1的平均燃弧能量、平均燃弧时间和材料转移量达到最低,而电流为15 A时,CNTs与TiB₂混杂比例为1∶4的平均燃弧能量、平均燃弧时间和材料转移量达到最低。电弧侵蚀后阴极出现熔池、气孔及熔融金属铺展等特征,且随着CNTs与TiB₂混杂比的增加,CNTs-TiB₂/Cu复合材料熔池面积减小,气孔数量变少,熔融金属铺展的特征减弱。      

Mg对原位自生TiB2/Al-4.5Cu复合材料微观组织及力学性能的影响

采用Al-K₂TiF₆-KBF₄混合盐原位自生反应法,制备了不同Mg质量分数的3wt% TiB₂/Al-4.5Cu复合材料。采用SEM、TEM、HM硬度测试和室温拉伸等方法研究了Mg含量和多级热处理对3wt% TiB₂/Al-4.5Cu复合材料微观组织和力学性能的影响。微观组织观察发现:Mg质量分数为3wt%时,经过多级热处理后,TiB₂颗粒的团聚现象明显改善,反应生成的TiB₂颗粒平均尺寸约为130 nm,基体内伴随有大量弥散分布的纳米级颗粒,且α-Al的晶粒尺寸也明显减小。力学测试结果表明:多级热处理后,3wt% TiB₂/Al-4.5Cu复合材料的硬度和抗拉强度随Mg含量的增加而提高,但过量的Mg (≥4wt%)会造成TiB₂颗粒细化效果下降。分析表明:Mg的加入能够降低TiB₂/α-Al界面能,减少脆性相Al₃Ti、Al₂B的生成,并通过反应生成的MgAl₂O₄使界面结构变成TiB₂/MgAl₂O₄/α-Al,从而有效抑制了TiB₂的团聚,改善了TiB₂颗粒与Al液界面的润湿性,提高了形核率,进一步细化了α-Al晶粒尺寸。      

Synthesis of in situ Al–TiB2 composites using stir cast route

When elemental Ti and B powders were added to molten Al at above 1000°C, fine in situ TiB₂ particulates were formed through Al–Ti–B exothermic reaction. By optimising the nucleation of TiB₂, the tensile and yield strengths of a synthesised Al–15V_f%TiB_s composite were twice that of matrix material. Modification of Al-matrix with 4.5 wt%Cu tripled the tensile and yield strengths at peak-aged condition. Owing to the co-presence of brittle Al₃Ti flakes with TiB₂ particles in the composites synthesised by the Al–Ti–B system, ductility was reduced to 68% and 84% in composites with Al- and Al–Cu matrices, respectively. When the (Ti + B) mixture was incorporated with 3 wt%C, TiB₂ and TiC reinforcing phases were simultaneously produced in the composite with Al–Cu matrix. Such an approach reduced Al₃Ti compound in the composite considerably. Although the presence of Cu in the composite was found to promote the formation of Al₃Ti, its effect on the fluidity caused the melt recovery to increase from 33% to 52%.     

新型自润滑YBa_2Cu_3O_7/Cu复合材料的制备及性能

采用草酸盐共沉淀法制备了YBa2Cu3O7(YBCO)粉体,利用真空热压烧结法制备了不同质量分数的YBCO/Cu复合材料,测定了YBCO/Cu复合材料的密度、硬度和电导率,利用MMU-5GA磨损试验机对YBCO/Cu复合材料进行了摩擦磨损试验。采用XRD、SEM和TEM对YBCO粉体及YBCO/Cu复合材料的微观结构、磨损表面形貌及物相组成进行了表征。研究了YBCO质量分数对YBCO/Cu复合材料组织及性能的影响。结果表明:所制备的YBCO粉体物相为Y123相,其层状结构明显,粉体纯度高、杂质少,粒度达到纳米级;纳米YBCO可显著细化YBCO/Cu复合材料的基体组织,提高复合材料的摩擦学性能。随着YBCO质量分数增加,基体组织中纳米YBCO颗粒分布均匀度降低,逐渐出现团聚;YBCO/Cu复合材料的电导率和密度降低,硬度先升高后降低,摩擦系数逐渐减小。3%YBCO/Cu复合材料的摩擦磨损性能最好。YBCO/Cu复合材料强化机制为Orowan强化、热错配强化和细晶强化;其磨损机制主要为塑变磨损、磨粒磨损和疲劳剥落。     

Ti3SiC2/Cu复合材料的制备与摩擦磨损性能

以Ti₃SiC₂陶瓷粉和Cu粉作为原料,采用放电等离子烧结(SPS)工艺制备Ti₃SiC₂/Cu块体复合材料,研究不同Ti₃SiC₂添加含量及烧结温度对Ti₃SiC₂/Cu复合材料的组织、致密度和显微硬度的影响,研究SPS后Ti₃SiC₂/Cu复合材料的摩擦磨损性能。研究表明:采用SPS工艺制备的Ti₃SiC₂/Cu复合材料的Ti₃SiC₂在Cu中分布均匀,但随着Ti₃SiC₂含量的增加和烧结温度的升高,组织中出现团聚趋势,部分Ti₃SiC₂与Cu在界面处发生互溶现象,互溶增强了Ti₃SiC₂与基体的结合能力;Ti₃SiC₂含量和烧结温度对Ti₃SiC₂/Cu复合材料的致密度和显微硬度影响较大,当烧结温度为900℃时,Ti₃SiC₂/Cu复合材料的致密度达到99.7%,接近完全致密,Ti₃SiC₂/Cu复合材料的硬度较纯Cu提高了2倍左右;对于不同Ti₃SiC₂含量的Ti₃SiC₂/Cu复合材料的磨损机制也有所差异,当Ti₃SiC₂含量较低时(1vol%~5vol%),磨损机制为磨粒磨损和黏着磨损;随着Ti₃SiC₂含量的增加(10vol%~15vol%),Ti₃SiC₂发挥了本身的自润滑性,Ti₃SiC₂/Cu复合材料的摩擦磨损性能有所改善,磨损机制转为犁削磨损和轻微黏着磨损;当Ti₃SiC₂含量增加到20vol%时,Ti₃SiC₂/Cu复合材料的磨损表面变得均匀而平整,表明Ti₃SiC₂/Cu复合材料的耐磨性提高。