劉慧敏,宋振東,許 萍,張 晶

(1內(nèi)蒙古工業(yè)大學材料科學與工程學院,呼和浩特010051;2內(nèi)蒙古輕金屬材料重點實驗室,呼和浩特010051)

TiC/7075鋁基復合材料的磨損實驗研究

劉慧敏1,2,宋振東1,許 萍1,張 晶1

(1內(nèi)蒙古工業(yè)大學材料科學與工程學院,呼和浩特010051;2內(nèi)蒙古輕金屬材料重點實驗室,呼和浩特010051)

采用原位反應(yīng)噴射沉積法制備TiC/7075鋁基復合材料,并在銷-盤式磨損機損上進行摩擦磨損實驗研究。通過TEM觀察原位 TiC顆粒的分布與形貌,并利用SEM觀察沉積態(tài)組織磨損表面形貌。結(jié)果表明:復合材料的耐磨性和TiC顆粒含量及載荷有關(guān),在低載荷(8.9N)狀態(tài)下,材料的耐磨性隨 TiC顆粒含量的增加而增強,在高載荷(26.7,35.6N)狀態(tài)下,材料的耐磨性隨 TiC顆粒含量的增加而減小。

原位 TiC顆粒;鋁基復合材料;耐磨性

顆粒增強金屬基復合材料具有高的比強度、比剛度,優(yōu)良的高溫力學性能和耐磨性,是近年來備受關(guān)注的材料領(lǐng)域,并已在諸多要求耐磨性的領(lǐng)域,例如在航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用[1]。目前,我國由于摩擦磨損造成的經(jīng)濟損失對社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展帶來很大的負面影響,已經(jīng)引起學術(shù)界的重視,為此也進行了大量實驗研究,取得了一些成果,但仍存在很多問題有待于進一步研究[2-8]。通常材料的晶粒組織被細化后,不僅具有提高強度的作用而且還能夠提高材料的塑性和韌性,但是對耐磨性的影響如何,很少見相關(guān)的研究結(jié)果。

本工作采用原位合成的方法,將增強顆粒加入到7075鋁合金當中,然后通過噴射沉積法制備 TiC/7075 Al基復合材料,形成快速凝固組織,并對其進行摩擦磨損實驗研究,探索細晶組織、原位 TiC顆粒及其含量對復合材料耐磨性的影響機理。原位顆粒與外加型的顆粒相比,在基體合金中直接反應(yīng)生成,具有分布均勻,界面無污染等優(yōu)點。通過對原位顆粒增強的鋁基復合材料進行磨損實驗研究,為開發(fā)耐磨性好的鋁基復合材料提供實驗與理論依據(jù)。

1 實驗方法

采用原位反應(yīng)噴射沉積法制備實驗用復合材料,其具體過程:(1)將 Ti粉(<50μm),石墨粉(<75μm),Al粉(<75μm)按一定比例在混粉機內(nèi)混合均勻,并壓制成φ20mm×25mm的預制塊備用;(2)將坩堝中的7075鋁合金(Zn5.7,Mg2.5,Cu1.8,Cr0.2,Fe<0.15,Si<0.15,Mn<0.15,其余為 Al,質(zhì)量分數(shù)/%,下同)升溫至900℃,用石墨鐘罩將規(guī)定量的Ti-C-Al預制塊壓入此合金熔液中,通過原位反應(yīng)生成 TiC顆粒,適當攪拌使其更加均勻地分布于合金熔體中。待反應(yīng)完成后降溫至730℃并用六氯乙烷和氟硅酸鈉精煉除氣;(3)熔體再次被升溫至810℃時,進行噴射成形,采用氮氣作為霧化氣體,霧化壓力為0.6～0.8MPa,導流管直徑為 3mm,沉積距離為400mm。采用相同的工藝參數(shù),制備不含 TiC顆粒的7075鋁合金作為對比基準。

摩擦磨損實驗采用的設(shè)備為 FAL EX-6型銷-盤式磨損實驗機,磨損方式為干摩擦,磨損量采用試樣的失重量來表示。試樣成分為噴射沉積X%(質(zhì)量分數(shù))TiC/7075鋁基復合材料,其中X=0,5,8,10。試樣尺寸與形狀為φ4.8mm×12.7mm。對磨金屬盤采用淬火+回火的 T8鋼,其名義成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為 Fe-0.8C-0.35Mn-0.3Si。磨盤的表面硬度為64HRC、表面粗糙度為Ra=1μm。摩擦載荷值分別取8.9,17.8,26.7,35.6N。采用光電天平進行磨損量的測量,其分辨率可達±0.1mg。每一組測試均用3個試樣,摩擦前后將試樣放入丙酮中,采用超聲波振動的方式清洗干凈。磨損率按磨損量/滑動距離的方法計算。通過掃描電鏡觀察微觀組織、磨損表面形貌。采用離子減薄法制備透射電鏡樣品,觀察原位 TiC顆粒的分布、形貌和尺寸等。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 沉積態(tài)組織

圖1(a),(b)分別是噴射沉積7075和5%TiC/7075Al基復合材料的沉積態(tài)組織,由均勻細小的等軸晶組成。這是由于在噴射沉積過程中,一方面高壓氮氣氣流與熔體強烈的對流換熱,使得合金凝固時獲得很高的冷卻速率(103～104K/s),另一方面是霧化氣體與霧化的合金液滴之間的動能交換,使霧滴獲得很高的運動速度,模擬計算結(jié)果[9]表明其運動速率為50～100m/s,具有較高動能的霧滴撞擊基板或沉積表面,其沖擊動能所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力將合金液滴和沉積表層的枝晶打碎,形成細小的等軸晶組織。

圖1 沉積態(tài)組織 (a)7075鋁合金;(b)5%TiC/7075鋁基復合材料Fig.1 As-spray formed microstructures (a)7075 alloy;(b)5%TiC/7075 Al matrix composite

Lavernia等人對不同材料的噴射沉積組織進行的大量的研究表明[10],盡管實驗條件不同,材料成分不同,但其沉積態(tài)組織總是以等軸晶形態(tài)出現(xiàn),尺寸范圍約為10～50μm,屬于快速凝固組織。在本工作中,經(jīng)統(tǒng)計得出噴射沉積7075鋁合金的平均晶粒尺寸為20μm;噴射沉積 TiC/7075鋁基復合材料的平均晶粒尺寸為8μm,可見后者的組織被進一步細化了?？紤]到統(tǒng)計的誤差,按保守的算法,其細化程度已達到50%左右。原位 TiC顆粒具有如此顯著的細化組織的主要原因是它與基體鋁合金兩者之間滿足點陣匹配原理[11],并且 TiC顆粒是在基體合金熔體內(nèi)部通過熱爆反應(yīng)直接形成,顆粒與基體之間的界面干凈,在復合材料的凝固過程中促進形核、抑制晶粒長大。

圖2為原位TiC顆粒在噴射沉積7075鋁合金中的分布與形貌,圖中黑色粒狀相為原位 TiC顆粒,其尺寸的分布范圍為<1μm,屬于亞微米級顆粒,其形貌一般呈較規(guī)則多邊形。圖2表明,原位反應(yīng)方法制備的TiC顆粒在基體合金中的分布較為均勻,未產(chǎn)生團聚現(xiàn)象,這一點符合原位合成的特點。在原位合成的熱爆反應(yīng)過程中,反應(yīng)產(chǎn)物在熱爆力的作用下,分散于熔體中,使得原位顆粒在基體合金內(nèi)部分布較均勻,從而克服了外加顆粒分布不均勻的不足。另外從圖1(b)可知,復合材料被細化的晶粒組織較為均勻,表明起到細化晶粒作用的原位TiC顆粒分布是較為均勻的。

2.2 磨損表面形貌的SEM觀察

圖3～4為不同載荷下(8.9N和35.6N)的試樣磨損表面的掃描照片。在兩種狀態(tài)下7075鋁合金的磨損表面上既有剝落坑又有犁溝,表明磨粒磨損和粘著磨損同時存在。觀察發(fā)現(xiàn)犁溝深度隨載荷的增大而加深,剝落坑面積隨載荷的增加而減小,但剝落坑的數(shù)量隨載荷的增加而增加。10%TiC/7075鋁基復合材料在低載荷下,其磨損表面上基本沒有剝落坑,比較光滑,犁溝帶也比較淺,因此在低載荷階段的主要磨損屬于黏著磨損。與7075鋁合金相比,10%TiC/7075鋁基復合材料的晶粒更加細小,具有更加優(yōu)良的力學性能,因此在低載荷磨損條件下,幾乎未出現(xiàn)明顯的剝落坑。當載荷增大到35.6N時,10%TiC/7075鋁基復合材料磨面上的磨痕逐漸從劃痕向深的凹坑轉(zhuǎn)變,凹坑又大又明顯以至于次表面清晰可見。這種情況下,次表面裂紋會沿著顆?；w界面擴展,引起顆粒基體脫粘。表面材料移走,裂紋靠近表面,剪切應(yīng)力增加,這樣通過剝層引起表面層脫落,呈現(xiàn)嚴重的塑性變形和表面破壞,導致剝層磨損。

2.3 磨損率與載荷之間的關(guān)系

圖5中繪出磨損率與摩擦載荷之間的關(guān)系曲線。噴射沉積7075鋁合金在8.9,17.8,26.7,35.6N四種載荷作用下,磨損率范圍約為(1.0～1.2)×10-5g/m,而且隨載荷增加,磨損率變化不大。說明7075鋁合金的耐磨性很穩(wěn)定,其磨損機制沒有發(fā)生本質(zhì)的變化。對于5%TiC/7075鋁基復合材料而言,在中等載荷(17.8,26.7N)的狀態(tài)下,磨損率的變化規(guī)律類似于7075鋁合金的,但是摩擦載荷為8.9N和35.6N時,其磨損率與7075鋁合金有了較大的差別。在低載(8.9N)下,5%TiC/7075鋁基復合材料的磨損率低于7075鋁合金的磨損率;而在高載(35.6N)下,出現(xiàn)相反的情形。由圖可知,當原位 TiC顆粒含量繼續(xù)增加到8%和10%時,約以20N為界限(四條曲線的交點),摩擦載荷低于20N,復合材料的磨損率低于基體合金的磨損率,表明原位 TiC顆粒對噴射沉積7075鋁合金耐磨性的有益作用在低載荷時更為顯著;摩擦載荷高于20N,復合材料的磨損率高于基體合金的磨損率,表明載荷超過某個臨界值后,原位 TiC顆粒對基體鋁合金的耐磨性產(chǎn)生不利影響。按此規(guī)律猜測,5%TiC/7075鋁基復合材料對應(yīng)26.7N的載荷,得到的磨損率數(shù)據(jù)可能是實驗誤差導致的偏差,也可能是載荷接近分界點(20N)時,原位 TiC顆粒含量越低,則磨損率差別也越小?？傊?基體合金和復合材料的磨損率均隨著摩擦載荷的增加而存在增加的趨勢,只是增加的幅度不同,圖中表現(xiàn)為四條曲線的斜率不同。

圖5 載荷與磨損速度的關(guān)系曲線Fig.5 Variations in the wear rates of spray-deposited TiC/7075 Al composites with load

在低載荷狀態(tài)下,原位 TiC/7075鋁基復合材料能夠保持其軟基體與硬顆粒結(jié)合良好的組織狀態(tài),抑制了顆粒從基體上脫落而加劇磨粒磨損的傾向,加強了合金抵抗黏著和變形的能力,從而使合金的耐磨性能提高。當基體合金表面被磨損一定程度后,原位TiC顆粒凸起于材料表面而充分起到支撐點的作用,減少了合金與對偶件之間有效的接觸面積,降低復合材料的磨損量,其含量愈多,支撐作用愈強,復合材料的耐磨性愈好。

當載荷增加到一定值后,鋁基體對原位 TiC顆粒的約束力不足以抵抗摩擦力對它的作用時,原位 TiC顆粒或部分基體就會發(fā)生脫落,而且脫落下來的硬質(zhì)TiC顆粒參與摩擦過程,構(gòu)成三體摩擦,會加劇磨損。一般噴射沉積材料的沉積態(tài)組織的致密度為96%左右,需要二次加密工藝,使其變?yōu)橹旅懿牧虾蠓娇墒褂?。采用原位反?yīng)方法將 TiC顆粒加入到噴射沉積7075鋁合金中形成復合材料后,其致密度不但不增加,可能會減小。而在本工作中未采取其他后續(xù)的加密加工或成形工藝,因此 TiC/7075鋁基復合材料中存在一定量的空隙。在高載荷磨損狀態(tài)下,空隙邊緣被磨損脫落的可能性更大,因此未體現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性。

另外,干摩擦條件下材料的摩擦磨損性能與服役條件和配副關(guān)系具有強烈的依賴性,這是由于摩擦熱對摩擦過程產(chǎn)生強烈的干涉作用,同時影響摩擦熱產(chǎn)生與傳遞的因素均會對摩擦副的摩擦磨損特性產(chǎn)生影響。TiC/7075鋁基復合材料雖然屬于硬質(zhì)點與軟基體相結(jié)合的耐磨性材料,但是在高載條件下,摩擦進行到一定程度,原位 TiC顆?；虿糠只w開始發(fā)生脫落后,從磨面上脫落下來的原位 TiC顆?；蚧w的磨粒會加速磨損,導致其耐磨性降低。

一般認為基體對顆粒增強金屬基復合材料的耐磨性的影響主要通過顆粒-基體的界面和增強物與基體塑性變形的協(xié)調(diào)性來決定?；w的塑性好,有利于改善復合材料的耐磨性,但是從上述實驗結(jié)果得知,顆粒與基體的界面結(jié)合強度的影響更加突出,摩擦載荷增加到足以克服顆粒與基體之間的結(jié)合強度后,也即一旦顆粒從基體表層被脫落下來參與摩擦過程,細晶組織帶來的有利影響被顯著削弱。因此,細晶組織發(fā)揮有利作用的前提是獲得良好的界面結(jié)合。

3 結(jié)論

(1)界面結(jié)合狀態(tài)是影響 TiC/7075Al基復合材料耐磨性的首要因素,其次是細晶組織、增強顆粒含量等。在摩擦過程中保持顆粒與基體結(jié)合良好的狀態(tài)下,原位 TiC顆粒含量愈多,晶粒組織愈細小均勻,則TiC/7075Al基復合材料的磨損率愈低,耐磨性愈好。

(2)在低載荷條件下(摩擦載荷小于20N),TiC/7075 Al基復合材料磨損率隨原位 TiC顆粒含量的增加而降低,此時磨損機制為磨粒磨損和黏著磨損同時存在;在高載荷條件下(摩擦載荷大于20N),7075 Al基體合金具有比原位 TiC/7075 Al基復合材料更加優(yōu)越的耐磨性,也即原位 TiC顆粒降低7075 Al合金的耐磨性,對應(yīng)的主導磨損機制為剝層磨損。

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Experimental Study of the Wear Resistance of TiC/7075 Al Matrix Composite

LIU Hui-min1,2,SON G Zhen-dong1,XU Ping1,ZHANGJing1
(1 School of Materials Science and Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;2 Inner Mongolia Key Laboratory of Light Metal Materials,Hohhot 010051,China)

The TiC reinforced 7075 Al matrix composites have been fabricated by meltin situreaction spray deposition.The microstructures of spray-deposited alloys were studied using SEM and TEM.The dry sliding wear behavior of the alloys was investigated using a pin-on-disc machine under four loads,namely 8.9,17.8,26.7 and 35.6N.It has been found that the wear behavior of the alloys was dependent on the TiC content in microstructure and applied load.At lower load(8.9N),with increasing TiC content,the wear rate of the alloy was decreased.At higher loads(26.7,35.6N),spray-deposited 7075 Al alloy exhibited superior wear resistance to the TiC/7075 composites.

in-situTiC particle;Al matrix composite;wear resistance

TG146.2+1

A

1001-4381(2011)07-0066-04

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目(20080404Zd17)

2010-05-21;

2011-01-07

劉慧敏(1972-),女,蒙古族,教授,博士,主要研究方向為金屬材料及金屬基復合材料,聯(lián)系地址:呼和浩特市新城區(qū)愛民街49號內(nèi)蒙古工業(yè)大學材料科學與工程學院(010051);E-mail:huimin_72@yahoo.cn