TiN/Al 基復(fù)合材料的性能分析

前言

TiN因其優(yōu)異的硬度、耐磨性、耐腐蝕性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，被視為理想的復(fù)合材料增強(qiáng)體之一。鋁作為輕質(zhì)金屬材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和加工性能，但其硬度和耐磨性相對(duì)較低。因此，將TiN引入鋁基體中，通過復(fù)合材料的方法制備出性能更加優(yōu)異的TiN/Al基復(fù)合材料，具有重要的科研價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

本文結(jié)合TiN和Al兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用粉末冶金法制備了TiN增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并深入研究了其制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)特征以及各項(xiàng)性能。

TiN的性質(zhì)與制備方法

TiN的性質(zhì)

TiN具有高硬度（約為21 GPa）、高熔點(diǎn)（約2950°C）、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，以及優(yōu)異的耐磨、耐蝕性能。這些性質(zhì)使得TiN在陶瓷刀具、涂層材料、耐磨部件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

TiN/Al基復(fù)合材料的制備

本文采用粉末冶金法制備TiN/Al基復(fù)合材料，具體工藝流程包括原料混合、壓制成型、真空熱壓燒結(jié)及后處理等步驟。在制備過程中，通過控制燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間及壓力等參數(shù)，獲得了性能優(yōu)異的TiN/Al基復(fù)合材料。

TiN/Al基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與相分析

SEM觀察發(fā)現(xiàn)，純Al的晶界清晰，而加入TiN后，復(fù)合材料中出現(xiàn)組織分布不均勻現(xiàn)象，且在晶界處出現(xiàn)增強(qiáng)相顆粒。隨著TiN含量的增加，TiN顆粒逐漸變大，并在Al基體中出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。EDS分析進(jìn)一步證實(shí)了TiN顆粒在Al基體中的分布情況。

TiN/Al基復(fù)合材料的性能分析

硬度分析

硬度測(cè)試結(jié)果表明，隨著TiN含量的增加，TiN/Al基復(fù)合材料的維氏硬度逐漸升高。當(dāng)TiN含量達(dá)到20 wt%時(shí)，復(fù)合材料的硬度較純鋁提高了約3倍。這主要是由于TiN的高硬度以及其在Al基體中的均勻分布所致。

拉伸性能分析

拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，TiN/Al基復(fù)合材料的抗拉屈服強(qiáng)度隨著TiN含量的增加而升高。當(dāng)TiN含量為15 wt%時(shí)，復(fù)合材料的抗拉屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值。這歸因于TiN顆粒對(duì)Al基體的強(qiáng)化作用以及復(fù)合材料中良好的界面結(jié)合。

摩擦磨損性能分析

摩擦磨損試驗(yàn)表明，TiN/Al基復(fù)合材料的耐磨性能優(yōu)于純鋁。隨著TiN含量的增加，復(fù)合材料的磨損量逐漸降低。當(dāng)TiN含量為15 wt%時(shí)，復(fù)合材料的磨損量最小。其磨損機(jī)理主要為粘著磨損和磨料磨損。在磨損過程中，TiN顆粒能夠有效阻礙磨粒對(duì)基體的磨損作用，從而提高復(fù)合材料的耐磨性能。

熱膨脹系數(shù)分析

熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果顯示，隨著TiN含量的增加，TiN/Al基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)逐漸降低。當(dāng)TiN含量達(dá)到5 wt%時(shí)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)較純鋁降低了約19%。這主要是由于TiN的低熱膨脹系數(shù)及其對(duì)Al基體熱膨脹的抑制作用所致。因此，TiN/Al基復(fù)合材料在高溫環(huán)境下具有更好的熱穩(wěn)定性能。