Ti3AlC2增强锌基复合材料的界面结构与摩擦学特性研究

锌合金耐磨性能优良，广泛应用于各种耐磨密封件，但因高温性能差，应用范围受到很大限制。颗粒增强锌基复合材料是改善锌合金高温性能和耐磨性能的有效手段，但由于增强相与基体之间润湿性差、热失配大等原因，其性能仍不理想。三元层状陶瓷Ti3AlC2兼具金属和陶瓷的诸多优良特性，由层状结构所致的良好自润滑性有助于提高复合材料耐磨性；而Ti3AlC2介于陶瓷和金属之间的热膨胀系数，使其与锌合金之间的热失配小于其它复合体系；更重要的是，Ti3AlC2晶格中结合能较低的Al原子在高温下部分脱出，可与同样含有合金元素Al的锌合金基体形成润湿良好的界面。这些独特优势使得Ti3AlC2成为锌合金增强相的不二选择。本项目在优化Ti3AlC2增强锌基复合材料制备技术基础上，深入研究基体与增强相之间界面润湿性的影响因素及其控制方法以及复合材料摩擦磨损特性、机理及其影响因素，为开发高性能的新型锌基复合材料奠定基础。

锌铝合金具有优良的力学性能、耐磨性和低成本，是一种应用广泛的滑动轴承合金材料。三元层状化合物Mn+1AXn陶瓷（Ti3AlC2、Ti3SiC2、Ti2SnC等）综合了金属与陶瓷的优异性能，是一种优选的颗粒强化相。本项目分别采用无压烧结、热压烧结以及无压烧结-加压致密化两步法工艺制备了不同组分的Mn+1AXn/ZA27复合材料，研究了材料组分和工艺参数对复合材料结构与性能的影响，取得以下主要成果：.1）Mn+1AXn陶瓷作为锌铝合金增强相的一个独特优势是它能够在颗粒与基体的界面上发生分解反应，有利于改善两者间的界面结合，提高材料的力学性能。三种Mn+1AXn增强相中，Ti2SnC最易反应，Ti3AlC2能发生较微弱的反应，Ti3SiC2几乎不发生反应。.2）在本项目所采用的三种制备工艺中，无压烧结-加压致密化两步法为最佳制备工艺。.3）在锌铝合金中添加Mn+1AXn增强相，能降低材料的摩擦系数，提高耐磨性。随Ti3AlC2体积含量从10%增加到30%，Ti3AlC2/ZA27复合材料的摩擦磨损性能明显改善。与ZA27基体合金相比，30 vol.%Ti3AlC2/ZA27复合材料的摩擦系数下降了56%，磨损率减小了60.9%。复合材料以粘着磨损为主，并伴有磨粒磨损和氧化磨损。.4）无压烧结Ti3AlC2/ZA27复合材料的最优工艺为：870℃氩气保护下烧结150min，此时Ti3AlC2在基体与颗粒界面发生微弱分解反应，有助于改善界面结合。随烧结温度升高，复合材料的密度、硬度和强度增大；随Ti3AlC2含量增加，复合材料的密度下降，硬度上升。30 vol.%Ti3AlC2/ZA27复合材料具有最佳的抗弯强度497MPa和抗拉强度295MPa。.5）热压烧结Ti3AlC2/ZA复合材料的性能与基体合金成分相关，三种基体合金ZA8、ZA12、ZA27中，ZA27基复合材料性能最好。在460℃、25MPa保温1h条件下热压制备的20vol.%Ti3AlC2/ZA27复合材料具有最优的抗弯强度330MPa和维氏硬度115HV。.6）两步法制备Ti3AlC2/ZA27复合材料的最优工艺为：870℃氩气保护下烧结60min，降温至500℃加压30MPa保温90min。两步法制备的30vol.%Ti3AlC2/ZA27复合材料具有最高抗弯强度570MPa和抗拉强度335MPa。