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模板层叠法制备梯度双连续相TiC/Fe复合材料及其性能研究

韩晓楠  
【摘要】:本文以制动领域高性能耐磨材料的需求为研究背景,制备了梯度Ti C多孔陶瓷,再以其为增强相制备了梯度双连续相Ti C/Fe复合材料,并对其结构与性能进行了研究。利用模板层叠浸渍-无压烧结工艺成功制备了梯度Ti C多孔陶瓷增强体。实验中选用聚氨酯海绵作为模板,以Ti C粉为主要原料并加入少量Ti粉、Mo粉作为烧结助剂,将不同孔径的海绵模板层叠复合,利用模板浸渍-无压烧结工艺制备出界面连续过渡的梯度Ti C多孔陶瓷增强体,研究了海绵模板的孔径、浆料的涂覆次数等工艺参数对多孔陶瓷梯度结构的影响。结果表明,Ti C多孔陶瓷的梯度结构可以通过模板孔径和涂敷次数加以控制。多孔陶瓷增强体的强度与陶瓷挂浆量有着重要关系,通过增大挂浆次数,改变挂浆工艺的方式,可以大大提高多孔陶瓷增强体的强度。通过PVB湿混工艺5次挂浆制备的Ti C多孔陶瓷气孔率为82.95%,抗压强度达到2.80 MPa。以梯度Ti C多孔陶瓷为连续增强相,采取熔体无压浸渗工艺制备了梯度双连续相Ti C/Fe复合材料,并研究了基体成分与工艺参数对浸渗效果的影响。结果表明,45#钢与Ti C有着较好的润湿性,在浸渗后完全进入到了Ti C多孔陶瓷的孔隙中,陶瓷骨架保持三维网络状结构,与金属基体形成双连续结构。微观分析表明,复合材料梯度界面两侧的复合材料层有着明显差别,且骨架在梯度界面处连续过渡。制备的梯度双连续相复合材料具有较好的力学性能,以5次浸渍Ti C增强体制备的25-40PPI(pores per inch)梯度复合材料,Ti C陶瓷含量为14.4%,其拉伸性能、压缩性能、弯曲性能等与均质复合材料相比具有明显优势,复合材料中Ti C陶瓷骨架与铁基体具有协同强化作用。25PPI复合材料层的平均维氏硬度为3.51GPa,40PPI复合材料层的平均维氏硬度为4.09 GPa。双连续相Ti C/Fe复合材料展现出较高的摩擦磨损性能。随着海绵模板浸渍次数增加,梯度复合材料中Ti C陶瓷含量增加,使得复合材料的耐磨性提高;而复合材料的摩擦系数随陶瓷含量增加虽然有所降低,但均高于0.5,表现出较高的水平,适于作为制动材料。实验范围内,以5次浸渍Ti C增强体制备的复合材料其磨损率和磨损深度最小,分别为0.15×10~(-9) mm~3/N·m和2.96?m,摩擦系数达到0.52,摩擦磨损性能最优。不同陶瓷含量的复合材料层有着不同的硬度和摩擦磨损性能,能够满足不同耐磨工况要求。


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