颗粒/基体界面特征诱导颗粒增强铜基复合材料摩擦磨损行为变化的机制研究

With the service conditions of functional friction pairs getting more demanding and its reliable stability requirement getting higher, the design and development of high performance particle reinforced copper matrix composites performed in functional friction pairs become more and more urgent. The particle/matrix interface feature is the key factor in restricting wear behavior and then dominating wear properties of the particle reinforced copper matrix composites. In this project, the wear behavior of particle reinforced copper matrix composites is regarding as the studying objects and particle/matrix interface feature is regarding as clues. The intrinsic relationship between particle/matrix interface feature and preparation method, processing parameters will be studied systematically.The intrinsic relationship between interface feature and wear behavior & properties of the particle reinforced copper matrix composites will be mainly studied. The research results will be useful to provide a theoretical basis and technical support for the design and development of high performance particle reinforced copper matrix composites applied for new high-quality and long-life functional frictional pairs in the significant engineering field.

随着功能摩擦副服役条件的苛刻化和可靠稳定性要求的提高,功能摩擦副用高性能颗粒增强铜基复合材料的设计与开发日趋迫切。 颗粒/基体界面特征是制约颗粒增强铜基复合材料摩擦磨损行为进而主导摩擦磨损性能的关键因素。本项目以颗粒增强铜基复合材料摩擦磨损行为为研究对象，以颗粒/基体界面特征为线索，在系统研究制备方法、工艺参数与界面特征内在关联的基础上，重点研究界面特征与材料摩擦磨损性能和摩擦磨损行为的内在关联，探讨界面特征对摩擦磨损性能变化的影响规律。为功能摩擦副用高性能颗粒增强铜基复合材料的设计与开发提供理论依据，为我国重大工程领域中新型高品质长寿命功能摩擦副设计与应用提供技术支撑。

本项目以颗粒增强铜基复合材料为研究对象，借助微观手段观察和分析颗粒/基体界面特征，研究了颗粒增强铜基复合材料制备工艺与颗粒/基体界面特征的内在关联，重点研究了载流摩擦磨损条件下，界面特征与摩擦磨损性能和行为的内在关联，以及界面特征对铜基复合材料电磨损行为和电蚀性能的影响规律。结果表明：.（1）采用内氧化工艺可以制备出具有完整共格关系的Al2O3/Cu复合材料和半共格关系的MgO/Cu复合材料；时效析出工艺可制备出具有完全共格关系的Cu-0.23Be-0.84Co合金。而普通粉末冶金工艺和SPS等离子烧结工艺制备的颗粒增强铜基复合材料内部增强体与铜基体之间的界面关系均为非共格关系。.（2）电蚀实验研究表明：与非共格界面的1.0vol.%MgO/Cu复合材料相比，具有共格界面的1.0vol.%MgO/Cu复合材料因与基体的界面结合强度高，抗电蚀性能较好，电弧侵蚀率低，燃弧能量波动小。微观组织观察表明：由于具有共格界面的MgO/Cu复合材料的抗电蚀性能较高，因此电蚀坑均匀细小。而由于SPS法和粉末冶金法属于外加颗粒制备方法，制备的MgO/Cu复合材料中MgO颗粒与铜基体界面弱，MgO/Cu复合材料熔融液滴较大，抗电蚀性能较差。.（3）载流摩擦磨损试验研究表明：具有共格关系界面特征的Al2O3/Cu复合材料的磨损率和摩擦系数低于非共格关系界面特征的Al2O3/Cu复合材料的磨损率和摩擦系数，其中具有共格关系界面特征的0.5vol.%Al2O3/Cu复合材料的磨损率为0.0506mg/m,比非共格关系界面特征的0.5vol.%Al2O3/Cu复合材料的磨损率（0.0709mg/m）降低了约30%。非共格界面关系特征的1.0vol.%Al2O3/Cu复合材料的摩擦系数（2.5~3.5）是共格关系界面特征的1.0vol.%Al2O3/Cu复合材料的摩擦系数（0.5~1.0）的4~5倍。在较低Al2O3颗粒体积分数时，两种界面特征的1.0vol.%Al2O3/Cu复合材料的摩擦表面的磨损程度相当，销试样摩擦表面主要以粘着磨损为主，且粘着块有脱落的趋势。而具有共格关系界面特征的的2.5vol.%Al2O3/Cu复合材料具有比非共格关系界面特征的2.5vol.%Al2O3/Cu复合材料更加平整的摩擦表面。