碳硅化钛/铝基自润滑复合材料界面调控及摩擦学性能研究

It is crucial to develop solid lubricants with good wettability and preparation methods effectively controlling interfacial reactions for the preparation of metal matrix self-lubricating composites with excellent performance. This project takes titanium silicon carbide as the solid lubricant, takes Al-Si alloy as the metal matrix, and conduct research on the titanium silicon carbide/aluminum matrix self-lubricating composites. The physical property and chemical bond of titanium silicon carbide is similar with that of metals, which lead to the expection of ideal interface formation. The pre-existing silicon solute atoms in Al-Si alloys can suppress the silicon atoms dissolving out from titanium silicon carbide, providing convenience for the effective control of the interfacial reaction. Firstly, theoretical and experimental research is carried out to reveal the key factors and the action mechanisms influencing wetting process and interfacial reaction. Secondly, the vacuum infiltration and semi-solid stirring method is applied to prepare titanium silicon carbide/Al-Si self-lubricating composites with high and low content of titanium silicon carbide. The involving, dispersing and wetting process of titanium silicon carbide into Al-Si melt is subsequently revealed. Thirdly, the deformation behavior is investigated by thermal simulation, finite-element simulation, extrusion and drawing to reveal the strengthening mechanism and build the strengthening model. At last, the tribology behavior is investigated by microstructure and composition analysis of the wearing surface and the friction product. The self-lubricating film formation and action mechanism is subsequently revealed and the friction model is built as well. The fair matching of mechanical and lubrication properties is finally achieved. This project has practical guiding significance for the production of MAX/metal matrix composites in large scale, and profound scientific value for the development of the composites with excellent performance.

润湿性良好的固体润滑剂和界面反应的有效控制是研制高性能金属基自润滑复合材料的关键。本项目以碳硅化钛为润滑组元，以铝硅合金为基体，开展碳硅化钛/铝基自润滑复合材料方面的研究，碳硅化钛与金属物理性质和化学键特性相近，有望形成理想界面，铝硅合金中的硅溶质原子有抑制碳硅化钛中硅原子溶出的作用，为有效控制界面反应提供了条件。首先通过理论和实验研究，揭示影响润湿性和界面反应的关键因素及作用机理，然后通过浸渗法和半固态法制备高、低碳硅化钛含量的复合材料，阐明碳硅化钛的卷入、分散和润湿过程，其次利用热模拟、有限元模拟和挤压拉拔研究变形行为，阐明强化机理，建立强化模型，最后通过磨损表面、磨损产物的组织成分分析研究摩擦学行为，揭示自润滑膜的作用机理，建立摩擦模型，最终实现力学和润滑性能的良好匹配。项目对开发MAX/金属基复合材料规模化生产技术具有实际指导意义，对发展高性能金属基自润滑复合材料具有重要科学价值。

铝基固体自润滑复合材料由于具有优良的性能而在多个领域获得广泛的应用，石墨是其最为常用的外加固体润滑剂，然而石墨高温易氧化的特性限制了这类材料的使用。以Ti3SiC2为典型代表的新型三元层状化合物—MAX相具有与石墨类似的层状结构，也具有可以石墨媲美的摩擦学性能及优良的高温稳定性，而且该类材料兼具金属和陶瓷的双重性质，高硬度高稳定性等陶瓷性能使其成为良好的外加增强颗粒，而与金属相近的物理化学性质又使其与金属之间可形成良好的界面结合，因此，Ti3SiC2颗粒是自润滑金属基复合材料优良的外加增强体。项目以Ti3SiC2为外加润滑组元，以纯铝和铝硅合金为基体，开展了Ti3SiC2/铝基复合材料制备及组织界面调控的研究。首先，采用铝粉和Ti3SiC2粉末为原料，通过混粉-压坯-烧结的工序在氩气保护条件下制备了复合材料块体，研究了制备工艺和和成分设计对材料组织性能的影响，结果发现Ti3SiC2与基体易发生界面反应，外加颗粒难以保持结构完整性，且铝元素在制备过程中发生了明显的氧化；然后，通过SPS快速烧结的方式制备了Ti3SiC2/Al及Al-Si基复合材料块体，结果表明，Ti3SiC2能够在烧结过程中保持完整性，未发现明显的界面反应的征且铝元素也未发生明显的氧化，材料的硬度、致密度和摩擦学性能对工艺参数和成分设计较为敏感，通过试验研究优化了制备工序和基体成分及Ti3SiC2的添加含量；最后，通过对SPS烧结块体材料进行保温处理研究了Ti3SiC2与铝及铝硅合金基体之间的界面反应，结果表明，温度是影响增强体与基体之间是否发生界面反应的关键因素，Al3Ti是Ti3SiC2与铝基体之间界面反应的主要产物，Si元素的加入及含量的提高具有显著抑制界面反应的作用，通过界面反应的控制可以调控材料的硬度和摩擦学性能；此外，将SPS烧结制备的Ti3SiC2/Al块体加入至熔融的纯铝中，以铸造的方式制备了复合材料块体，尽管Ti3SiC2与基体界面反应剧烈，Ti3SiC2已基本反应完全，但是制备的坯料的组织性能较均匀，其性能相对于纯铝也有明显的提高。项目的实施不但提供了一种制备纯净Ti3SiC2颗粒增强的高致密铝基复合材料的方法，而且揭示了Ti3SiC2与铝基体之间界面反应的基本过程，探索了调控增强体与基体之间界面结合强弱的途径，对于高性能MAX相/金属基自润滑复合材料的制备及应用具有重要价值。