前言

铜金属基复合材料（CMMC）在汽车、航空航天、建筑和电子等行业得到广泛应用。其出色的特性，如降低密度、增强疲劳强度、提高硬度和强度重量比等，使其成为必不可少的材料。

(资料图)

工业应用中，这些参数的研发至关重要，因为铜金属基复合材料以其优异的机械和物理性能而备受青睐。在许多工业领域中，铜金属基复合材料被视为最理想的选择，因为它们的密度较低，同时具有更高的硬度、强度和耐磨性能。

随着需求不断增长，使用于先进机器中的零件需要具备更高的机械质量。铜的弹性模量较低，拉伸特性较差，因此添加粉末增强剂以改善其机械性能。一些研究表明，引入硬化工具增强剂可提高铜的机械性能。

粉末增强剂改善的铜金属基复合材料因其显著的摩擦学特性而著名。各种具有影响力的陶瓷粉末颗粒，如氧化铝（Al2O3）、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）、碳化硼（B4C）、二硼化钛（TiB2）、碳纳米管和硫化钼等，以及碳化钛（TiC），都被广泛用于增强铜金属基复合材料，并具有出色的磨损特性。

过去的研究中，Mo和SiC被用作增强剂来制造凹陷金属基复合材料，增强剂含量的增加提高了复合材料结构的力学和摩擦学性能。随着SiC增强颗粒添加量的增加，复合材料的性能也得到了提高。

使用硫化钼增强的铜金属基复合材料经过磨损测试后，发现随着法向载荷的增加，摩擦系数下降，耐磨性降低，这引起了研究人员的兴趣，他们认为硫化钼增强显著改善了微观结构和磨损性能。

Be-Cr-C粉末增强剂增强的铜金属基复合材料，不同增强剂含量的改变也改善了复合材料结构的微观结构、均匀分散性和摩擦学特性。石墨烯增强剂添加到铜基体中，提高了复合材料的机械和磨损性能。

使用不同重量百分比的粉状增强材料Al基增强材料，提高了基体的拉伸强度。当增强剂含量进一步增加时，拉伸强度有所降低。复合材料结构的硬度在增加到一定程度后开始下降。因此，在确定最佳增强剂含量时需综合考虑强度和硬度之间的平衡。

碳化钛是一种具有卓越微观结构和耐磨性的材料。它被认为是一种潜力巨大的陶瓷部件耐磨替代品。在制备金属基复合材料的传统方法中，基体和增强剂的不当混合以及陶瓷的分散都有报道，而搅拌铸造技术被证明是一种有效的方法。

碳元素具有较低的密度，因此增加了组件的局部强度。在研究中，还制备了碳化铜基体复合材料，结果显示，增加碳增强量可提高复合材料的界面附着力和导热系数。

采用热挤压和热轧等成型工艺对复合材料进行二次加工，可进一步改善其微观组织和机械性能，提高硬度和耐磨性能。

结果和讨论

1. 微观结构

下图显示了用不同重量百分比（2.5、5、7.5%和10%）碳化钛粉末颗粒增强的搅拌铸造和轧制铜金属基复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图像。从图中可以看出，在热轧之前，碳化钛增强剂在整个铜基体中的分散是均匀的。

铜基体中的增强分散是提高硬度和磨损特性的最重要方面之一。分散性表现得非常均匀，碳化钛增强剂与铜基体之间的界面附着力较强。通过轧制方法，形成了致密结构并最终减少了厚度，这对于提高硬度和磨损性能非常有益。

在添加进一步的增强剂（即10%）后，碳化钛颗粒的尺寸减小。在搅拌铸造过程中，搅拌器用于减小增强剂的尺寸。

由于10%TiC增强铜复合材料中增强剂的体积百分比较高，更多的增强材料与搅拌器接触，并且在搅拌铸造过程中增强层相互碰撞，导致形成细小的TiC增强材料。

在热轧后，碳化钛颗粒进一步破碎，并导致形成尺寸非常小的TiC颗粒。由于每次走刀中的重轧力，初级碳化钛增强相被破坏，直到达到所需的钢筋尺寸，并且初级相的这些破碎增强剂在轧制方向上伸长并定向。

与重量百分比为3%的TiC铜基复合材料相比，由于重轧制力集中在高重量百分比的增强剂上，因此注意到十重量百分比TiC铜基复合材料（即样品g）的尺寸非常小。

2. 硬度

下图展示了用不同重量百分比（0、2.5、5、7.5和10 wt.%）碳化钛增强的铜基复合材料的平均硬度读数。可以观察到，在添加碳化钛粉末颗粒后，复合材料的硬度显著增加。

在铸造和轧制环境中，分散在铜基体中的增强剂能够承受压头载荷，并且比未增强的铜（样品A）具有更高的硬度。硬度结果还表明，随着增强重量百分比的增加，硬度也随之增加。复合材料的硬度受铜基体与钛增强剂之间高内聚性的影响。

对于磨损行为的研究，发现随着增强颗粒重量百分比的上升，硬度值增加。然而，观察到复合材料结构的硬度值会在增强剂达到一定含量后开始下降，说明一旦增强剂含量过高，使用粉末增强颗粒作为增强剂会降低复合材料的塑性变形阻力。

热轧复合材料的硬度明显高于铸造复合材料。这是因为在轧制过程中引起的加工硬化效应会导致位错形成，成为压痕渗透的障碍，从而增加热轧试样的硬度。

在铸造和轧制条件下，含有10 wt.% TiC的样品E具有较高的硬度，而未增强的纯铜样品A具有较低的硬度。布氏硬度测试结果与微观结构结果非常吻合，进一步证实了增强剂含量对复合材料硬度的影响。

3. 摩擦系数

下图展示了实验中使用不同重量百分比（0%，2.5%，5%，7.5%和10%）碳化钛增强的铸造和轧制铜基复合材料在磨损测试之前的摩擦系数比较。实验结果表明，增强复合材料中较高的碳化钛含量导致样品的摩擦系数降低。

特别是与含有5.10%碳化钛的试样相比，含有10.2%，7.5%，5.5%和2.5%碳化钛增强材料的复合材料具有更低的摩擦系数。这可以归因于在铜基体中添加碳化钛颗粒后，增强颗粒与基体之间的直接接触减少。

由于接触区域减小，试样的摩擦系数开始降低，尤其是具有较高碳化钛含量的试样，比如含有10.2%碳化钛的试样，其摩擦系数最低。

在铸造和轧制复合材料中，热轧试样的摩擦系数明显小于搅拌铸造复合材料。这是因为在轧制过程中，碳化钛颗粒的分散性增强，使得复合材料零件的减摩质量得到提高。

均匀分布的增强材料改善了界面结合，并增加了增强颗粒在复合材料中的分布。因此，轧制样品表现出较低的摩擦系数。挤压过程还减少了样品的磨损，并保护了区域免受碳化硅颗粒增强复合材料的损坏。

下图描述了在以30 N至628 N不同磨损载荷下，使用不同重量百分比碳化钛增强的铸造和轧制铜基复合材料的摩擦性能，在固定滑动速度为30.120 m/s的条件下进行磨损测试后。

观察到在复合材料试样中，用高重量百分比的碳化钛加固的试样比用较低重量百分比的碳化钛加固的试样具有更低的摩擦系数。因为台板的粗糙颗粒与含有较低碳化钛含量的复合材料的增强材料之间的直接接触导致摩擦系数增加，从而使所有其他样品的摩擦系数增加。

随着磨损载荷的增加，台板的粗糙颗粒会更深地插入样品表面，导致高摩擦系数。在铸造和热轧复合材料中，由于碳化钛增强材料在热轧试样中的高硬度和均匀分散，热轧试样的摩擦系数较小。

下图展示了在以0.328 m/s至2.5181 m/s不同滑动速度下进行磨损测试后，使用不同重量百分比碳化钛增强的铸造和轧制复合材料的摩擦系数。随着滑动速度的增加，所有复合材料的摩擦系数不断上升。

具有2.5%碳化钛含量的铸造复合材料的摩擦系数最高，而由于掺入了碳化钛颗粒，具有10.2%碳化钛含量的铸造复合材料的摩擦系数最低。添加碳化钛颗粒显著减少了试样和台板之间的接触面积，从而影响了摩擦系数结果。

具有5%碳化钛含量的复合材料在铸造和热轧复合材料中具有较小的摩擦系数，与含有10.2%至5.7%碳化钛的复合材料相比。摩擦系数受到试样和台板之间接触面积减小的影响。随着碳化钛颗粒重量百分比从2.5%增加到10%，两个接触面之间的接触面积减小。

在0.328 m/s的较低滑动速度下，试样表面产生的摩擦热量较小，从而降低了摩擦系数。增加滑动速度会导致试样表面产生大量摩擦热，从而导致高摩擦系数和磨损率。热轧复合材料的摩擦系数较小，与铸造样品相比，这也是由于其具有更高的硬度。

4. 磨损率

下图揭示了在30 N载荷和0.328 m/s滑动速度条件下测试的铸造和热轧复合材料的磨损率。磨损率随着添加TiC颗粒而降低。纯铜在铸造和热轧条件下表现出最高的磨损率，而添加增强剂显著降低了磨损率。

在这两种复合材料中，含有2.5%的TiC的复合材料显示出较高的磨损率，而含有10%的TiC的复合材料则表现出非常低的磨损率。增强剂的加入提高了复合材料的硬度，并将其性能传递到柔软和延展性的铜基体上。

TiC增强剂均匀分散在10%的复合试样中，增强了相之间的附着力，进一步提高了硬度。复合材料的硬度增加显著影响了磨损率。与铸造复合材料相比，由于硬度的提高和增强剂在热轧复合材料中的均匀分散，热轧复合材料表现出较低的磨损率。

图中展示了在不同载荷条件（30 N至120 N）和0.328 m/s恒定滑动速度下测试的铸造和热轧复合材料的磨损性能。

在铸造和热轧复合材料中，含有2.5%的碳化钛粉末增强材料的复合材料显示出最大的磨损率，而含有10%的碳化钛粉末增强材料的复合材料则表现出较低的磨损率。随着磨损载荷增加到120 N，铸造和热轧复合材料的磨损率迅速下降。

均匀分散的TiC增强剂提高了复合试样的硬度，并改善了复合材料的磨损性能。这是因为磨损率与材料的硬度成反比，硬度的提高导致了磨损率的降低。与轧制复合材料相比，由于硬度的提高和增强剂在热轧复合材料中的均匀分散，铸造复合材料的磨损率较高。

下图显示了在以30 N的固定磨损载荷和0.328 m/s至2.518 m/s的变化滑动速度条件下测试的铸造和热轧复合材料的磨损性能。在铸造和热轧复合材料中，含有2.5%碳化钛粉末颗粒的复合材料显示出较高的磨损率，而含有10%钛粉增强颗粒的复合材料则表现出较低的磨损率。

随着滑动速度的提高，接触区域产生的热量增加导致了磨损率的上升。高温软化了试样（即销）的表面，从而提高了铸造和热轧复合材料的耐磨性。值得注意的是，增强剂在10%碳化钛复合材料中均匀分散，具有强界面结合，提高了硬度。

材料硬度与耐磨性成正比，因此铸造复合材料的硬度增加，导致更大的耐磨性。研究结果还表明，与铸造复合材料相比，热轧复合材料的耐磨性更高，因为其硬度更高且增强剂均匀分散。最后，磨损率的结果与摩擦系数、微观组织和硬度结果相吻合。

5. 磨损表面分析

SEM显微照片显示了无增强剂的铸造复合材料和含有10%的TiC增强剂的复合材料在不同磨损载荷（30 N和120 N）和0.328 m/s恒定滑动速度下的磨损表面微观结构。在较小的磨损载荷下（30 N），两种复合材料的磨损形态几乎相似，显示出表面的磨损和粘附痕迹。

含有增强剂的复合材料由于增强剂的存在，可以承受台板在其表面上的作用，表现出略微增强的耐磨性。

当磨损载荷增加到120 N时，两种铸造复合材料都出现断裂现象，并且高磨损载荷导致复合材料表面和台板之间产生更多的热量，从而明显增加了磨损和粘附印痕的密度。

在热轧复合材料中，无增强剂的样品和含有10%的TiC增强剂的样品在不同磨损载荷下的磨损特征表现出相似的趋势，尽管在高载荷条件下（120 N）测试的复合材料的耐磨性稍有下降。整体而言，分层磨损被确定为热轧样品的主要磨损机制。

扫描电镜图像展示了无增强剂的铸造复合材料和含有10%的TiC增强剂的复合材料在不同滑动速度（0.628 m/s和2.518 m/s）和30 N的固定磨损载荷下的磨损表面微观结构。

在较低的滑动速度下（0.628 m/s），铸造合金显示更多的粘附印模和分层现象，而增强复合材料显示较少的粘附印迹和分层。在较高的滑动速度下（2.518 m/s），压裂趋势得到改善，导致纯铜合金和含有增强剂的复合材料的附着和分层略有上升。

类似地，在热轧复合材料中，无增强剂的样品和含有10%的TiC增强剂的样品在不同滑动速度下的磨损特征表现出相似的趋势。在较低的滑动速度下（0.328 m/s），两者都显示出几乎相同的磨损断裂特征，包括分层痕迹和粘附印迹。

在较高的滑动速度下（2.518 m/s），两种复合材料的磨损特征包括氧化物颗粒，同时其他磨损特征与在较低滑动速度下检查的试样相似。

6. 磨损碎片分析

SEM显微照片展示了没有增强剂的铸造复合材料和含有10%的TiC增强剂的复合材料在不同磨损载荷（30 N和120 N）和0.628 m/s恒定滑动速度下的磨损碎片微观结构。在较小载荷下（30 N）下测试的试样，无论是合金还是加固复合材料，磨损碎片的尺寸都相同。

在高磨损载荷（120 N）下测试的试样，磨损碎片的尺寸增大。这表明随着磨损载荷的增加，形成的磨损碎片变得更大。磨损碎片主要是由于分层机制而形成的，所以提取的材料呈金属层的形式。

这些分层碎片表面覆盖着磨损痕迹和微裂纹。不论施加的载荷如何，所有试样的磨损碎片特征几乎相同，这表明增加磨损载荷对碎片的大小影响不大。磨损碎片的表面上还观察到了小的氧化物颗粒，表明氧化物磨损机制可能存在。

在浇注和热轧复合材料中，分层在金属去除磨损碎片方面起着关键作用。随着测试长度和应力的增加，细小的微裂纹出现并沿滑动方向扩展。这些裂缝在地下膨胀和结合，导致分层形成，从而形成金属层。裂缝扩展的时间决定了分层区域的范围。

结论

在此项研究中，成功制备了碳化钛粉末增强的铜基金属基复合材料，并利用先进的表征技术对其进行了微观结构、硬度和摩擦学行为的研究，得出以下结论：微观结构显示了碳化钛粉末增强材料的均匀分布，并且铜基体与增强材料之间形成了牢固的结合。

添加碳化钛增强颗粒显著提高了铸造和轧制样品的硬度。铸造和轧制复合材料的摩擦系数较未增强的纯铜低，但随着磨损载荷和滑动速度的增加而增加。热轧试样的摩擦系数较铸造试样更低。

已知磨损率随着磨损载荷和滑动距离的增加而提高，而铸造试样的磨损率比热轧试样更高。均匀分散的碳化钛增强剂的存在增强了相间附着力，是增强铜复合材料磨损率较低的主要原因。

低磨损载荷和滑动速度下表现出粘附磨损和磨损磨损，而在高磨损载荷和滑动速度下，主导地位为分层磨损和氧化磨损。最后，碎片尺寸的增长表明，在试样表面集中的较高剪切应变会引发裂缝，并将其传播到地下，形成金属板形式的材料。

参考文献

关键词：