MAX-TiCX-TiAl自润滑复合材料

邹芹， 李艳国， 徐江波

(1.燕山大学 机械工程学院，秦皇岛 066004；2.燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，秦皇岛066004)

［摘要］近年来，TiAl基复合材料广泛应用在汽车及航空航天等工业领域，如排气阀、轴承、涡轮叶片、密封支架、框架等。但由于其高温抗氧化能力不足和高摩擦系数等缺陷，限制了其广泛应用。探讨了MAXTiCX材料和烧结参数对TiAl基自润滑复合材料物理性能、力学性能及摩擦磨损性能的影响，研究发现，其硬度和致密度均随TiCX含量、烧结温度、保温时间的增加及MAX粒度的减小而增加，随着MAX含量、升温速率的增加而减小。导热系数随着TiCX含量、MAX含量的增加和MAX粒度的减小而增加。抗压强度随着TiCX含量增加、MAX粒度的减小而增加，随着MAX含量的增加先增大后减小。TiAl基自润滑复合材料硬度为3.65～5.70 GPa，致密度为94.98%～99.5 %，25 ℃时的导热系数为13.2～15.4 W/m·k，抗压强度为235～800 MPa，500 ℃时的导热系数为14.0～16.8 W/m·k，抗压强度为757～1248 MPa。得出TiAl基自润滑复合材料在TiCX添加量为15 wt.%、MAX添加量为20 wt.%、MAX粒度为180～380 μm、烧结温度为1100 ℃、升温速率为100 ℃/min、保温时间为10 min时综合性能最好，硬度为5.37 GPa，致密度为98.5%，25 ℃和550 ℃时的导热系 数分别是14.8 W/m·k和16.15 W/m·k，25 ℃和550 ℃时的抗压强度分别是747 MPa和1193 MPa。TiAl基自润滑复合材料在最佳条件时所采用的摩擦载荷为300 N、转速为200 r/min，此时复合材料在25 ℃时的摩擦系数和磨损率分别为0.460和0.095 mg/m，550 ℃时的摩擦系数和磨损率分别为0.405和0.015 mg/m。因此考察了摩擦条件对TiAl基复合材料摩擦磨损性能的影响，研究发现，TiAl基自润滑复合材料的摩擦系数随着载荷的增加先减小后趋于稳定，磨损率无明显改变；复合材料的摩擦系数和磨损率随着滑动速度的增加而减小。良好的摩擦学性能取决于室温下摩擦表面形成MAX润滑膜，550 ℃时会形成Fe-Ti-Al-Si-氧化物润滑膜，添加MAX的TiAl基自润滑复合材料在室温和550 ℃时的磨损形式主要为磨粒磨损和粘着磨损。在TiAl基复合材料中添加MAX和TiCX成功提高了TiAl复合材料的高温摩擦磨损性能，大大扩展了应用领域，使其更好地应用于高温耐磨件。