粉末冶金法制备原位(TiC-TiB2)/Cu复合材料组织及性能研究

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TiC和TiB2颗粒具有高熔点、高硬度、高导电率、低密度及良好的化学稳定性等优良性能。在Cu基体中加入TiC、TiB2增强相,既能保持Cu基体良好的导热导电性能,又能提高材料的硬度和耐磨性,能较好地解决硬度和导电率之间的矛盾。因此,本文采用机械合金化工艺与热压烧结工艺制备了不同TiB2、TiC含量的(TiB2-TiC)/Cu复合材料,系统分析了机械球磨制粉、氮气气氛保护下热压烧结及不同机械制粉过程中,复合粉末及复合材料的组织与性能。利用X射线衍射(XRD)对(TiB2-TiC)/Cu复合材料的物相组成进行分析,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对(TiB2-TiC)/Cu复合材料的微观组织、增强相的形貌、尺寸及分布情况进行分析,并通过对不同TiB2、TiC含量、不同制粉工艺制备的(TiB2-TiC)/Cu复合材料的硬度、导电率和致密度等性能的研究,主要得出如下结论:(1)采用机械球磨工艺制备Cu-TiH2-B4C复合粉末颗粒时,球料比越大,复合粉末颗粒的焊合程度越高,TiH2、B4C颗粒由冷焊在Cu颗粒表层,逐渐向Cu颗粒内部分布,直至达到在Cu颗粒中均匀分布的状态。控制球料比可以调节机械球磨制备的复合粉末颗粒结构的不均匀性。(2)增加机械球磨时间,导致复合粉末颗粒由层片状焊合成具有一定厚度的复合粉末颗粒,因为复合粉末颗粒内部位错密度增加产生加工硬化,使得复合粉末颗粒逐渐破碎细化,并最终达到破碎与焊合动态平衡的阶段。机械球磨复合粉末产生的位错是造成衍射峰宽化的主要原因,球料比为20:1的Cu-TiH2-B4C复合粉末颗粒内部位错密度约为球料比为5:1的Cu-TiH2-B4C复合粉末颗粒位错密度的5倍。(3)采用机械球磨制粉工艺热压烧结制备(3%TiB2-1.29%TiC)/Cu复合材料,其硬度随球料比的增大或随球磨时间的延长而升高,导电率逐渐降低,TiB2和TiC颗粒在Cu基体中的分布状态愈发弥散,颗粒尺寸愈细小,材料的致密度均维持在92%左右。复合材料中各物相的衍射峰随球磨时间的延长向高角度发生偏移,但球料比的改变对其无显著影响。(4)在Cu-TiH2-B4C体系热压烧结过程中,首先发生TiH2逐步脱氢反应,之后随烧结温度升高,Ti与Cu反应生成几种CuxTiY金属化合物,最后随着B4C的分解与扩散,CuxTiY合金分解,Ti与扩散来的B、C发生反应,并在Ti原子所在位置原位生成TiB2和TiC颗粒。熔融态的CuxTiY中间相造成TiC和TiB2颗粒发生偏析,并对新产生的TiC和TiB2颗粒起黏连作用,形成TiC和TiB2颗粒的团簇。(5)球磨+混粉制粉工艺制备的复合粉末形貌呈具有一定厚度的片层状颗粒,B4C颗粒在球磨+混粉的制粉工艺中,对复合粉末颗粒形貌无显著影响。原位反应生成的TiB2、TiC增强相尺寸细小,并在Cu基体中分布均匀、弥散,未出现明显团聚现象。此工艺制备的(TiB2-TiC)/Cu复合材料,其硬度随TiB2、TiC含量的增加而升高,导电率却逐渐降低,致密度均维持在96%左右。
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