1、Si-Al 固溶对 Ti3AlC2陶瓷 300 干摩擦行为的影响曾庆妍1，2，薛垄琦1，2，3，王传超1，2，王金金1，2，杜乘风1，2，3，余泓1，2(1.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072；2.西北工业大学 先进润滑与密封材料研究中心，陕西西安 710072；3.西北工业大学 伦敦玛丽女王工程学院，陕西 西安 710072)摘要：利用元素粉体热压烧结工艺制备了具有不同Si固溶含量的系列Ti3Al1-xSixC2(x=0.2、0.4、0.6)陶瓷材料，采用X射线衍射技术及Rietveld结构精修对所得产物的结构及相组成进行了分析，利用共聚焦显微镜、扫描电子显微镜研
2、究了产物的表面形貌和晶粒结构，使用球-盘型摩擦实验机评估了材料的干摩擦行为。结果表明，Si的引入极大细化了Ti3Al1-xSixC2陶瓷的晶粒，并降低其相纯度。随着Si加入量的增加，大量Ti5Si3和TiC杂相出现，Ti3Al1-xSixC2陶瓷的硬度逐步提升。而当Si加入量为0.4时，所得Ti3Al0.6Si0.4C2陶瓷表现出了最低的摩擦系数(COF)，为0.27，抗磨减摩效果最好。关键词：MAX陶瓷；固溶；晶粒尺寸；相组成；干摩擦行为中图分类号：TG115.5+8文献标识码：A文章编号：1000-8365(2023)03-0227-06Effects of Si-Al Solid Sol
3、ution on the Dry Sliding Behaviors of Ti3AlC2at 300 ZENG Qingyan1,2,XUE Longqi1,2,3,WANG Chuanchao1,2,WANG Jinjin1,2,DU Chengfeng1,2,3,YU Hong1,2(1.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,China;2.Centerof Advanced Lubrication and Seal Mater
4、ials,Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,China;3.Queen MaryUniversity of London Engineering School,Northwestern Polytechnical University,Xian 710072,China)Abstract：Hot-pressing of elemental powders has been applied for preparing a series of Ti3Al1-xSixC2(x=0.2,0.4,0.6)ceramicswith diff
5、erent Si contents.The crystal structure and phase composition of the products were characterized by X-raydiffraction and Rietveld refinement.Meanwhile,the surface morphologies and grain distribution were analysed via confocalmicroscopy and scanning electron microscopy.The tribological performance of
6、 the products was evaluated through drysliding on a tribometer with a ball-on-disk configuration.Consequently,the addition of Si greatly reduces the grain size ofTi3Al1-xSixC2,whereas the purity of the sample decreases as well.The contents of Ti5Si3and TiC impurities increase withincreasing Si conte
7、nt.Meanwhile,the hardness of the ceramics increases with a higher Si addition.With an optimal Sicontent of 0.4,Ti3Al0.6Si0.4C2presents the lowest coefficient of friction(COF),which is only approximately 0.27,showingthe best lubricating and anti-wear performance.Key words：MAX ceramics;solid solution;
8、grain size;phase composition;dry-sliding behaviors收稿日期:2022-10-09基金项目:国家自然科学基金(52275212)；凝固技术国家重点实验室开放课题(2022-TS-09)作者简介:曾庆妍，1999年生，硕士生.研究方向：MAX陶瓷合成及摩擦学性能研究.Email:通讯作者:杜乘风，1988年生，博士，副教授.研究方向：从事MAX陶瓷合成及摩擦学性能研究.Email:;余泓，1987年生，博士，副教授.研究方向：先进功能陶瓷制备及性能研究.Email:引用格式:曾庆妍，薛垄琦，王传超，等.Si-Al固溶对Ti3AlC2陶瓷300 干摩
9、擦行为的影响J.铸造技术，2023,44(3):227-232.ZENGQY,XUELQ,WANGCC,et al.Effectsof Si-Al solid solution on thedrysliding behaviors of Ti3AlC2at 300 J.FoundryTechnology,2023,44(3):227-232.MAX陶瓷是一类由过渡金属碳/氮化物Mn+1Xn层(M：过渡金属；X：C或N；n=1、2、3、4)和主族元素A层(A：Al、Si等)交替堆叠而成的金属陶瓷单相材料1。自1996年Barsoum和El-Raghy2首次发现Ti3SiC2以来，以Ti3AlC2
10、和Ti3SiC2为代表的MAX陶瓷已经发展为一个庞大的材料体系。MAX陶瓷原子级别多层复合的结构特点赋予了其优异的强度、模量、高温塑性、机加工特性以及抗高温氧化和腐蚀性能3，并在高温防护及自润滑领域获得了广泛的关注4。目前，由于MAX陶瓷优异的耐氧化和腐蚀性DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2023.2299铸造技术FOUNDRY TECHNOLOGYVol.44 No.03Mar.2023227 能，对其磨损与腐蚀的研究主要关注于中高温区间(600)5-6。在这一温度区间内，MAX陶瓷中的Al、Si等元素可以形成致密的抗氧化Al2O3膜或者软质的SiO2物种，因而通常
11、表现出较好的高温使役性能7-8。但是，对于设备启停过程以及长期处于中温区段(300600)运行的工况条件(如光热电站融盐管道及阀门等部件)9-10，MAX陶瓷的使役行为仍较少受到关注，尤其是对其在中温工况下磨损及氧化磨损行为的研究仍较少。因此，开展对MAX陶瓷中温工况下摩擦磨损性能的评估，对拓展该类材料的应用范围具有重要的意义。另一方面，在高温条件下，对Ti3AlC2的A位Al原子进行部分Si固溶取代11，可以引入高温下熔化的SiO2相起到更好的黏附效果，使得氧化物润滑层得以长期保持12。而在低滑动速度下，Ti3Al0.8Sn0.4C2MAX陶瓷的磨损率可以降低至0.410-6mm3N-1m-
12、113，这与其表面致密的Al2Ti7O15、SnO2以及Fe2O3混合氧化物密切相关。近期，也有针对Ti3AlC2的A层原子进行Al、Ga、In、Sn等多元素固溶的探索14-15，其中多种A层原子的引入表现出了固溶强化效应16，使得Ti3AlC2基体的硬度和强度得到提升。这些研究结果表明，利用MAX陶瓷A位元素的固溶设计，有望调节MAX陶瓷的物理化学性质，进而调控其摩擦学行为。本研究选取Si作为固溶元素，制备了系列具有Si-Al固溶结构的Ti3Al1-xSixC2(x=0.2、0.4、0.6)陶瓷材料。分析了Si添加量对Ti3Al1-xSixC2陶瓷晶体结构、相组成、组织结构及其在300 工况
13、下摩擦学性能的影响规律，为该类材料的设计制备及其在中温工况的应用提供一定的理论支撑。1实验材料与方法选用高纯Ti(99.9%)、Al(99.0%)、Si(99.9%)及鳞片石墨粉(99.9%)作为原料，通过调控原料粉体的摩尔比例，在氩气气氛下经过热压烧结获得目标块体试样17。为获得具有良好均匀性的烧结产品，反应物粉料在氩气气氛下先经球磨混合及预反应，后在10 MPa压力下于1 400 烧结3 h，获得致密烧结的样块。以Ti3AlC2试样为例，所用原料摩尔比为TiAlC=3.01.12.018。其中，超出化学计量比的Al用于辅助烧结。对其余Si-Al固溶的Ti3Al1-xSixC2(x=0.2、
14、0.4、0.6)陶瓷试样，所用原料配比分别为TiAlSiC=3.00.90.22.0、TiAlSiC=3.00.70.42.0以及TiAlSiC=3.00.50.62.0。所有得到的样块均采用线切割切成长条状试样(25 mm5 mm2 mm)，并使用砂纸进行逐级打磨抛光至粒径为6.5 m的砂纸，获得光滑表面。所有抛光后的试样在乙醇中超声清洗5 min，之后在干燥空气中晾干。样品物相采用德国布鲁克D8 AD-VANCE型号X射线衍射仪(XRD)进行分析，测试2角范围为5120，扫描步长0.02。物相的晶体结构及定量分析采用GSAS II软件进行精修19。样品的表面形貌采用日本LaserTec共聚
15、焦光学显微镜进行观察，其晶粒形貌采用美国FEI公司HeliosG4 CX型号扫描电子显微镜(SEM)进行观察。样品硬度采用维氏硬度计进行测量，对每个样品选取至少10次独立测量点并取平均值。采用兰州华汇仪器科技有限公司的MS-M9000多功能摩擦试验仪进行摩擦学性能测试。所用测试模块为球-盘型往复模块，对摩副为GCR15轴承钢球。加热和测温模块均置于试样底部，测试温度300。所有测试载荷均为10 N，往复行程1.5 mm，往复频率5 Hz，测试时间60 min。测试前试样均先升温至300 稳定5min。测试后采用吹尘枪清理摩擦副表面，之后直接用于磨斑形貌观察。2实验结果及讨论2.1物相分析图1为
16、系列Ti3Al1-xSixC2陶瓷试样的XRD谱图。添加的Si原子在Ti3AlC2晶格中主要替换Al原子位置，形成Si-Al固溶结构而不影响Ti3C2碳化物层。从图1的XRD谱图中可以看出，初始Ti3AlC2试样具有较好的相纯度，其XRD衍射峰与标准卡片(JCPDS卡片号：52-0875)匹配较好，未检测到明显杂质物相的衍射峰。而随着Si元素的固溶，Ti3Al0.8Si0.2C2在2角约为35.9、37.8、41.1及42.8处出现了杂质峰，且其相对衍射强度随着Si含量的增加而提升。当原料化学计量比达到Ti3Al0.4Si0.6C2时，上述杂质峰的相对强度发生了剧烈的增强，可以判断在此Si/Al比例下Ti3AlC2的相形成条件已经图1 Ti3Al1-xSixC2陶瓷的XRD谱图Fig.1 XRD patterns of the Ti3Al1-xSixC2ceramicsVol.44 No.03Mar.2023FOUNDRY TECHNOLOGY228 发生了严重偏离，导致所得产物的相纯度迅速降低。此外，Ti3AlC2主相的002晶面族系列衍射峰均随Si加入量的增加而逐步向高角度区域偏移