MAX-TiCX-TiAl自潤滑復合材料

鄒芹， 李艷國， 徐江波

(1.燕山大學 機械工程學院，秦皇島 066004；2.燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室，秦皇島066004)

［摘要］近年來，TiAl基復合材料廣泛應用在汽車及航空航天等工業領域，如排氣閥、軸承、渦輪葉片、密封支架、框架等。但由于其高溫抗氧化能力不足和高摩擦系數等缺陷，限制了其廣泛應用。探討了MAXTiCX材料和燒結參數對TiAl基自潤滑復合材料物理性能、力學性能及摩擦磨損性能的影響，研究發現，其硬度和致密度均隨TiCX含量、燒結溫度、保溫時間的增加及MAX粒度的減小而增加，隨著MAX含量、升溫速率的增加而減小。導熱系數隨著TiCX含量、MAX含量的增加和MAX粒度的減小而增加。抗壓強度隨著TiCX含量增加、MAX粒度的減小而增加，隨著MAX含量的增加先增大后減小。TiAl基自潤滑復合材料硬度為3.65～5.70 GPa，致密度為94.98%～99.5 %，25 ℃時的導熱系數為13.2～15.4 W/m·k，抗壓強度為235～800 MPa，500 ℃時的導熱系數為14.0～16.8 W/m·k，抗壓強度為757～1248 MPa。得出TiAl基自潤滑復合材料在TiCX添加量為15 wt.%、MAX添加量為20 wt.%、MAX粒度為180～380 μm、燒結溫度為1100 ℃、升溫速率為100 ℃/min、保溫時間為10 min時綜合性能最好，硬度為5.37 GPa，致密度為98.5%，25 ℃和550 ℃時的導熱系 數分別是14.8 W/m·k和16.15 W/m·k，25 ℃和550 ℃時的抗壓強度分別是747 MPa和1193 MPa。TiAl基自潤滑復合材料在最佳條件時所采用的摩擦載荷為300 N、轉速為200 r/min，此時復合材料在25 ℃時的摩擦系數和磨損率分別為0.460和0.095 mg/m，550 ℃時的摩擦系數和磨損率分別為0.405和0.015 mg/m。因此考察了摩擦條件對TiAl基復合材料摩擦磨損性能的影響，研究發現，TiAl基自潤滑復合材料的摩擦系數隨著載荷的增加先減小后趨于穩定，磨損率無明顯改變；復合材料的摩擦系數和磨損率隨著滑動速度的增加而減小。良好的摩擦學性能取決于室溫下摩擦表面形成MAX潤滑膜，550 ℃時會形成Fe-Ti-Al-Si-氧化物潤滑膜，添加MAX的TiAl基自潤滑復合材料在室溫和550 ℃時的磨損形式主要為磨粒磨損和粘著磨損。在TiAl基復合材料中添加MAX和TiCX成功提高了TiAl復合材料的高溫摩擦磨損性能，大大擴展了應用領域，使其更好地應用于高溫耐磨件。