内生TiC_x颗粒形貌、尺寸控制及其对Cu基复合材料组织和性能的影响

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金属铜以其优异的导电、导热性能、耐腐蚀性和良好的成型性能被广泛应用于汽车、电子、电气、机械制造等领域。随着汽车、电子、机械制造业的快速发展,对铜的性能提出了更高的要求,即在保证Cu具有良好的导电、导热性能的基础上,要求铜具有高强度、高的耐磨损性能,尤其是具有良好的高温力学性能和高温抗熔蚀性能。通过在铜基体中添加合金元素使材料的力学和物理性能得到提高,Cu的应用范围也得到一定的拓展,如:目前在乘用车制造中点焊机械手的电极材料是具有较好的导电和导热性能的锆铜、铬铜、铬锆铜、铍钴铜等。但铜合金在摩擦磨损、高温等工作条件下往往表现出许多不足。因此,获得一种高导热、导电,同时,又具有高的高温强度和耐磨性好的Cu合金材料成为当务之急。颗粒增强铜基复合材料是以铜或者铜合金为基体,以颗粒作为增强相而复合成型的一种新型材料,它除了具备优异的金属性之外,还兼备陶瓷的高温稳定性、低的热膨胀系数、高的弹性模量等优点。作为典型的过渡金属碳化物,TiC_x以其高熔点、高的杨氏模量、低密度和良好的导电、导热性能等优点而被选做目前广泛应用的颗粒增强金属基复合材料的增强相。然而,关于TiC_x颗粒增强铜基复合材料中TiC_x颗粒的形貌、尺寸控制及其对铜基复合材料组织与性能的影响还没有详细的研究报道。本文以Cu-Ti-C体系为研究对象,采用燃烧合成+真空热压的方法制备了纳米TiC_x颗粒增强Cu基复合材料。分析并揭示了内生纳米TiC_x颗粒形貌和尺寸的控制机制;不同增强颗粒形貌、尺寸和增强相体积分数对内生纳米TiC_x颗粒增强Cu基复合材料压缩、导电和室温、高温磨损性能的影响规律和作用机制。本文主要创新点如下:1.揭示出以Cu-Ti-C体系为研究对象,不同C源的种类、反应物含量、C/Ti摩尔比以及球磨工艺对内生TiC_x颗粒尺寸的影响规律及作用机制:a)C源尺寸越小,表面积越大,与Cu-Ti二元液相接触面积越大,燃烧合成反应时向Cu-Ti液相中溶解C原子的速度越快,形成TiC_x核心的数量越多,合成的TiC_x颗粒尺寸越小;b)反应物含量小于20 vol.%时,随着反应物含量增加,C溶解的速度增加,形成TiC_x核心的数量增加,TiC_x颗粒的尺寸减小,反应合成过程中C的溶解是主要影响因素;但当反应物含量大于20 vol.%时,虽然C的溶解速度增加,但Ti的扩散距离减小,TiC_x颗粒的尺寸逐渐增大,反应合成过程中Ti的扩散是主要影响因素;c)随着C/Ti摩尔比的增加,Cu-Ti-C反应体系中C源的量增加,单位时间内溶入到Cu-Ti液相中C原子的数量增加,形成的TiC_x核心数量增加,合成的TiC_x颗粒尺寸减小;d)采用球磨破碎后的CNTs作为C源与Cu粉进行预处理,CNTs的比表面积增加、与Cu-Ti液相接触面积增加,单位时间内溶解的C原子数量增多,形成TiC_x核心数量增多,TiC_x颗粒尺寸减小。2.揭示出以Cu-Ti-C体系为研究对象,以CNTs作为C源,不同C/Ti摩尔比和反应物含量对燃烧合成反应制备内生TiC_x颗粒形貌的影响规律及作用机制:a)随着反应物含量的增加,单位时间内C源溶入Cu-Ti液相中C原子的数量增加,TiC_x晶格的{111}晶面生长逐渐变慢,而{100}晶面生长速度逐渐加快,内生TiC_x颗粒的形貌逐渐由立方体向近球形、球形转变;b)当C/Ti摩尔比比较低时,反应体系不能提供足够的C原子,促使TiC_x晶格的{100}晶面生长,抑制{111}晶面生长,形成八面体结构的TiC_x;随着C/Ti摩尔比增加,反应体系能提供更多的C原子,TiC_x晶格的{100}晶面生长变得缓慢、{111}晶面生长速度增加,TiC_x颗粒逐渐转变为近球形、球形形貌;C/Ti摩尔比进一步增加,TiC_x晶格的{100}晶面生长被抑制,{111}晶面生长速度增加,形成立方体形貌的TiC_x。3.揭示出不同增强颗粒形貌、尺寸和增强相体积分数对TiC_x/Cu复合材料压缩性能和导电性能的影响规律和作用机制:a)与球形增强颗粒相比,立方体形貌的增强颗粒对基体位错运动的钉扎效果更加明显,能够提高复合材料的屈服强度和压缩强度;本实验条件下,过小尺寸的TiC_x颗粒容易发生聚集,在复合材料受到压力发生变形时容易作为裂纹源,降低了TiC_x/Cu复合材料的压缩强度;当TiC_x颗粒的尺寸接近,随着TiC_x颗粒体积分数增加,复合材料的屈服强度和压缩强度增加;b)当内生TiC_x颗粒的形貌为立方体时,燃烧合成反应生成的TiC_x/Cu复合材料中剩余Ti原子含量少,减弱了对电子的散射作用,能够提高TiC_x/Cu复合材料的电导率;当增强相体积分数一定时,尺寸较大的增强颗粒与基体结合界面减少,对电子的散射作用降低,电导率较高;TiC_x/Cu复合材料中。TiC_x体积分数增加,增加了对电子的阻碍作用,降低了TiC_x/Cu复合材料的电导率。4.揭示出不同增强颗粒形貌、尺寸、增强相体积分数和载荷对内生纳米TiC_x颗粒增强Cu复合材料室温、高温磨损行为的影响规律和强化机制:a)在增强颗粒尺寸相同时,球形增强颗粒对复合材料磨损性能的强化效果要高于立方体增强颗粒的强化效果。当增强颗粒形貌为球形时,随着增强颗粒尺寸的增大,复合材料的耐磨损性能逐渐提高;随着增强相体积分数的增加,复合材料耐磨损性能逐渐提高。随着温度和载荷增加,复合材料的体积磨损率逐渐增大;b)强化机制:纳米TiC_x钉扎Cu基复合材料基体,阻碍位错运动,抵抗复合材料常温塑性变形和高温软化行为;纳米TiC_x有效地传递载荷,提升复合材料的强度;钉扎晶界,提高复合材料的室温、高温强度和硬度,提高复合材料的耐磨损性能。复合材料硬度增大,磨粒刺入到基体的深度减小,强化了复合材料的耐磨性。TiC_x/Cu复合材料磨损过程中产生的磨屑中纳米TiC_x颗粒强化机械混合层,TiC_x颗粒对机械混合层有支撑作用,提高了复合材料的耐磨性。
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