Ti2SnC 质量分数对铜基复合材料显微组织及性能的影响

李小红，阎峰云，2，张芳芳，王 振

（1.兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州 730050；2.甘肃省有色金属及复合材料工程技术研究中心，甘肃兰州 730050）

铜基复合材料具有优异的导电、导热和高强度性能，因此被广泛应用于受电弓滑板、集成电路的引线框架、点焊机的电极、触头材料等领域[1，2]。根据受电弓滑板的工作要求,需要设计出具有以下性能的受电弓滑板材料：（1）优良的耐冲击性能；（2）较高的强度；（3）较好的导电性能[3]。通常情况下，增强相的引入在增强铜基复合材料某些机械性能的同时，使其电导率有所损失，因此需要选择一类导电性能优异的增强相。

Mn+1AXn是一种三元层状陶瓷材料，兼具金属和陶瓷的优异性能[4]。目前，三元层状化合物Mn+1AXn的研究主要集中在Ti3SiC2、Ti3AlC2和Ti2SnC 三种代表性材料上[5,6]。这三种材料均可用作金属复合材料中的增强相，其物理性能如表1 所示。

表1 增强相性能比较[7，8]

对比发现，它们力学性能基本相当，其中Ti2SnC 导电性能远远优于Ti3SiC2、Ti3AlC2，它具有高强度、低摩擦系数和良好的自润滑性能，是较为理想的金属导电材料的增强相。通过查阅文献对比发现，大多数学者研究Ti3SiC2、Ti3AlC2作金属基增强相的较多，而研究Ti2SnC 并将其应用于受电弓滑板的较少。

Dina 等人[9]将自蔓延高温合成的Ti3SiC2作为增强相，采用放电等离子烧结技术制备Ti3SiC2/Cu（Ti3SiC2含量分别为3vol%,5vol%,18vol%）复合材料。结果发现，当Ti3SiC2含量3vol%时，致密度92%，电导率为36%IACS，硬度为227HV，如果应用于受电弓滑板则硬度太高对导线磨耗严重。李响等人[10]采用火花等离子烧结法制备了Ti2SnC/Cu。研究发现，随着Ti2SnC 含量的增加，硬度也随之增大，当10vol%Ti2SnC 含量时，硬度为184HV，为纯铜显微硬度的1.53 倍，而导电率随着Ti2SnC 含量的增加下降较快，导电率为40%IACS，但是延伸率较低，只有12.1%。因此，为获得综合性能优异的铜基复合材料，使其综合性能满足TB/T1842.1-2002 电力机车粉末冶金滑板铁道行业标准[11]要求（如表2），本试验通过改变Ti2SnC 和Cu 不同配比，采用直热法粉末烧结技术制备Ti2SnC/Cu 复合材料，并对其组织形貌、导电性能和力学性能进行研究与分析。

表2 铜基受电弓滑板的机电性能

1 试验

1.1 固液反应法制备增强相

本试验采用固液反应法[12]制备了增强相Ti2SnC。首先将纯度为99.5%的钛粉（粒径为150～200 目）、锡球（ø2mm）和石墨粉按Ti：Sn：C=2：0.9：0.85 的摩尔比例称重并混合均匀，装于氧化铝反应瓷舟中，然后放置在通有氩气保护的TL1700 管式炉中并加热至500℃，保温1h，以5℃/min 的速率升温至1260℃进行固液相反应。该过程与固相反应的主要区别在于加热过程中由于金属Sn 首先熔化与其他原料进行液固反应。待反应完全管式炉冷却至室温后，取出试样，通过研磨、除杂、烘干、测试粒径，最终得到粒度均匀的Ti2SnC 粉末。经X 射线衍射（D/max-2400）分析，发现含有少量杂质Sn，配置浓度为10%的HCl 溶液将其除去，除杂前后对比图如图1 所示，除杂后Sn 的含量有所减少。然后用扫描电镜（Quanta450 FEG）分析观察制备的Ti2SnC，其颗粒形貌如图2a所示，平均粒径10μm。

图1 Ti2SnC 粉末除杂前后对比

试验所选用的基体材料为雾化铜粉（平均粒径11μm，纯度99.8%)，其颗粒形貌如图2b 所示。

1.2 直热法粉末烧结技术制备Ti2SnC/Cu

采用直热法粉末烧结技术制备Ti2SnC/Cu 复合材料，具体制备过程如下：在金属铜粉中分别加入5%、8%、10% (质量分数)Ti2SnC 颗粒，经机械混合后得到均匀的Ti2SnC/Cu 复合粉末。将预定配比的Ti2SnC/Cu 复合粉末装入组合好的高强导电石墨模具中捣实，合模后放入四柱液压机（THP32-315F）进行试验。试验过程中，将红外测温仪探头对准凸模中上部，进行实时测量烧结温度。当烧结温度达到目标温度800℃时，保温30min，然后加压45MPa，保压3min，获得试样尺寸为ø100mm×10mm。

用金相显微镜（Bxs1）观察增强体Ti2SnC 在铜基体中的分布情况；根据阿基米德法测定所制备复合材料的密度并计算其致密度；用扫描电镜（Quanta450 FEG）对复合材料的组织、拉伸断口形貌进行分析；在电子万能材料试验机（WDW-100D）上进行拉伸力学性能试验，夹头移动速度为 1mm/min；用布氏硬度试验机（HBE-3000），使用直径5mm 的钢球压头，在100N 的载荷下测定了布氏硬度，加载时间为30秒，在每个样品的不同区域等间距取9 个点进行测试并获得平均值。用冲击韧性试验机（NI150）测定了冲击韧性，试样尺寸为10mm×10mm×55mm；采用电阻仪(TEMET-TM2511)测出电阻并换算出导电率。

2 试验结果分析

2.1 显微组织分析

图3 是通过添加不同含量的Ti2SnC 制备的Ti2SnC/Cu 复合材料的金相结构组织，图4 为复合材料在扫描电镜下放大到1200 倍的微观组织照片。从图3b、c 中可以明显看出，当Ti2SnC 含量较少时，增强相在铜基体中的分布比较均匀，孔隙较少，并且材料的组织相对致密。图3d 与图4d 中，Ti2SnC 颗粒的含量最多，增强相颗粒之间的团聚现象明显，孔洞也开始增多并逐渐变大。主要原因是Ti2SnC 含量的增加阻碍了铜的流动；另一方面，烧结材料在高温烧结阶段的能量不足,因此在烧结的高温保温阶段的扩散和流动不够充分，从而导致材料不够致密[13]。

2.2 性能分析

图5a 显示了Ti2SnC/Cu 复合材料的致密度、导电率与Ti2SnC 含量之间的关系。结果表明，随着Cu 中Ti2SnC 加入的含量增多，Ti2SnC/Cu 复合材料的致密度明显降低。其原因是铜的熔点为1083℃，根据烧结理论，800℃下的烧结属于固相烧结[14]。此时，致密化烧结的主要机制是固体扩散和粘性流动,而Ti2SnC 颗粒的加入阻碍了铜原子的扩散，在同一压力下，增强相含量越高，其阻隔效果越明显,铜粉的滑动、扩散和烧结越困难，形成的孔隙越多[15]。当Ti2SnC 的质量分数为5%时，复合材料的致密度达到94%。

图2 Ti2SnC 和Cu 粉体的颗粒形貌

图3 Ti2SnC/Cu 复合材料的光学显微组织

图4 Ti2SnC/Cu 复合材料的扫描电镜图

纯铜试样的导电率为99%IACS，添加5wt%Ti2SnC 后,导电率降至39%IACS，10%的复合材料导电率最低为29%IACS，它们的导电率均可以达到行业标准的最低要求（4.92%IACS）。随着增强相Ti2SnC 含量的增加，Ti2SnC/Cu 复合材料的导电率逐渐降低。这是由于增强相的加入破坏了基体的连续性，从而使得基体导电率降低[16]；另一方面，铜的质量分数逐渐下降，增强相颗粒相应的增多，可在一定程度上阻止晶粒长大，从而使复合材料中的晶界增多,增加了对电子的散射作用[17]，造成电阻率增大。Ti2SnC 含量越高，与铜的相界面越多，对电子的散射作用越明显，导电性能越差。

Ti2SnC/Cu 复合材料的抗拉强度和延伸率、布氏硬度和冲击韧性与Ti2SnC 含量的关系分别如图5b、c 所示。总体而言，Ti2SnC 对Cu 的增强作用显著，硬度、强度增加但韧性降低[18]。在Ti2SnC 加入量为5%时，布氏硬度、抗拉强度达到最大，分别为88.5HBS、250.29 MPa，而随着Ti2SnC 含量的增加冲击韧性和延伸率持续降低。

与纯铜相比，添加Ti2SnC 后复合材料的抗拉强度显著提高。当Ti2SnC 的质量分数为5%时，抗拉强度达到250.29 MPa，是同一制备条件下纯铜的1.4 倍，并保持14%的延伸率，高于李响等人[10]12%的延伸率。这是由于增强相的加入，会阻碍位错滑移变形[19]，从而使材料的强度提高。然而，随着Ti2SnC 增强相含量的增加，复合材料的抗拉强度略有降低，一方面是由于孔隙的存在，受力相截面减少，导致实际应力增大；另一方面，孔隙引起应力集中，导致强度下降[20]。

5wt%Ti2SnC/Cu 复合材料的布氏硬度为88.5HBS，是在相同条件下制备的纯铜的1.64 倍。继续增加Ti2SnC 含量，复合材料硬度略有降低，但是均满足铁路行业的标准值（60～90HB）。由于复合材料的致密度对布氏硬度有一定的影响，当材料的致密度低时，复合材料中的孔隙就会较多。当测量布氏硬度时，压头传递的压力容易导致孔隙塌陷，从而降低布氏硬度值。Ti2SnC/Cu 复合材料的冲击韧性下降的原因是随着Ti2SnC 含量的增加，在烧结过程中,Ti2SnC 阻碍了铜原子之间的相互扩散,进而阻碍烧结颈的形成[21],非塑性增强体对Cu 的割裂作用增强，降低了材料的冲击韧性。所以，纯铜的冲击韧性值是最大的，为19.6J/cm2；其次是Ti2SnC 添加量为5%的复合材料，冲击韧性达到11.17J/cm2，高于行业标准要求的7J/cm2。

图5 Ti2SnC/Cu 复合材料的性能

图6 Ti2SnC-Cu 复合材料拉伸断口形貌SEM图

纯铜和Ti2SnC/Cu 复合材料的拉伸断口形貌如图6 所示。从图6a 中可以看出，纯铜的断口上布满了较深的蜂窝状韧窝，这是由于材料本身存在孔隙，在外部应力的作用下，发生应力集中与裂纹扩展、长大和相互连接最终导致材料的断裂。在Ti2SnC 质量分数较少（5%）的复合材料（图6b）中,也可以看到韧窝尺寸变小且数量较多，但韧窝形状不规则而且较浅。这是由于Ti2SnC 的存在,使得拉伸过程中材料内部应力场比较复杂，因而拉伸过程中孔洞形成后材料发生内颈缩的方向不定，导致韧窝形状是不规则的[22]。韧窝较浅，表明添加Ti2SnC 显著降低了材料的塑性。随着Ti2SnC 质量分数的增加，韧窝数量和尺寸明显减小，材料的断裂方式逐渐从塑性断裂向脆性断裂转变。

3 结论

（1）当工艺条件一定时，随着增强相Ti2SnC 含量的增多，Ti2SnC/Cu 复合材料的致密度、延伸率、抗冲击韧性、抗拉强度、导电率均呈现下降趋势；布氏硬度略有增加，但添加量为8%、10%时，增加不明显。

（2）Ti2SnC 的质量分数为5%时，Ti2SnC/Cu 复合材料的综合性能最好，致密度达94%，导电率为39%IACS；抗拉强度达到250.29 MPa，是纯铜的1.4 倍，并保持14%的延伸率；抗冲击韧性为11.17J/cm2，布氏硬度89HBS，可以满足受电弓滑板的要求。