添加MoS<,2>的Ti<,3>SiC<,2>复合陶瓷的制备及其性能研究

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三元层状化合物Ti3SiC2是一种新型的结构陶瓷材料,由于其同时具有金属和陶瓷的许多优良的性能而受到广泛的关注。在金属特性方面,Ti3SiC2在常温下就有很好的导热导电性能、较低的维氏硬度、较高的弹性模量和剪切模量;在陶瓷特性方面,Ti3SiC2有较高的屈服强度、良好的热稳定性和优异的抗氧化性;更为突出的是Ti3SiC2具有优于石墨和moS2的自润滑性能。但由于Ti3SiC2易于劈裂的片层特性和相对较低的硬度使其抗磨损性较差,难以得到工程应用。在Ti3SiC2基体中引入第二相粒子是一种有效的改善性能的方法。本文利用固体润滑剂MoS2的层状结构(类似石墨)、较高硬度(4GPa)、高屈服强度(3450MPa)、低摩擦系数(0.03~0.06)等优良特性,同时MoS2的热膨胀系数(10.7×10-6K-1)与Ti3SiC2热膨胀系数(9.7×10-6K-1)相近,因而是作为改善Ti3SiC2材料磨损性能的良好材料。有研究表明,MoS2质量含量为2~4%时,复合材料的磨损率是最低的。因此,在Ti3SiC2基体中引入MoS2制备MS-TSC材料,并改善Ti3SiC2材料的摩擦磨损性能。本文以2TiC/1Ti/1Si/0.2Al配比的元素粉为原料在1400℃无压烧结制备出Ti3SiC2粉末,然后用MoS2质量含量为2%、4%、6%和8%进行配比混料,配制MoS2和Ti3SiC2混合原料,再在温度1200~1450℃、压力30MPa和保温1h的工艺条件下真空热压烧结制备MS-TSC材料。研究MS-TSC材料的相组成、显微结构和性能。具体如下:(1)利用热压工艺烧结MS-TSC材料,得到相对密度达到99%的致密MS-TSC材料;通过XRD分析其相组成成分,结果表明材料主要成分为Ti3SiC2,还含有少量的杂质,如Ti5Si3、TiC、Mo、(Ti0.8Mo0.2)Si2和Ti4S2C2。二次烧结使得Ti3SiC2发生了分解,带来了杂质(如Ti5Si3、TiC),同样减小了MS-TSC材料的纯度。(2)分析烧结后样品截面的SEM得知:MS-TSC材料内部结构紧密,孔隙率低;Ti3SiC2相发育良好且呈典型的板形层状形貌特性。MoS2的添加能促进MS-TSC材料的致密化过程以及细化MS-TSC材料中Ti3SiC2颗粒尺寸。(3)当MoS2含量为4wt%时,MS-TSC复合陶瓷的显微硬度达到7.83GPa,同时电导率达到10.05×106S·m-1。研究4wt%MS-TSC复合陶瓷与GCr15钢的摩擦试验,结果表明:随时间的变化,占主导地位的磨损机制发生了改变,从磨粒磨损为主转变为以粘着磨损为主,摩擦系数为0.176~0.283;MS-TSC复合陶瓷在油润滑条件下摩擦系数为0.062~0.134。两种情况下磨损率是很小的,干摩擦磨损率为2.657×10-6mm3·N-1·m-1,而油润滑磨损率为1.968×10-7mm3·N-1·m-1,油介质在摩擦面的吸附使表面能大为降低,很大程度上阻止了粘着磨损的发生。基体Ti3SiC2分解的TiC和Ti5Si3陶瓷相提高了复合陶瓷硬度,MoS2的添加而形成的金属相Mo提高了复合陶瓷的断裂韧性,从而也提高了MS-TSC复合陶瓷抵抗微断裂磨损的能力。(4)氧化动力学研究表明,不同MoS2添加量的MS-TSC材料在500℃和800℃下经过30次循环的氧化过程是一个可分为3个抛物线阶段的过程。氧化活化能约为120kJ·mol-1。500℃主要氧化产物为SiO2,同时含有少量TiO2和α-Al2O3。800℃主要氧化产物为TiO2和SiO2,同时含有α-Al2O3,而且MoS2含量越少α-Al2O3含量越多。在500℃和800℃下氧化层厚度为1.5~5.0μm。MS-TSC样品表面所形成的致密氧化层阻止了材料的内层发生进一步的氧化,从而使MS-TSC材料具有良好的中低温抗氧化性能。
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