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tib2/cu复合材料在电火花电极材料中应用的探讨研究

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TiB2/Cu复合材料在电火花电极材料中应用的探讨研究

作者：高波天津大学

学位级别：硕士

作为电火花加工环节中的一个基本要素,电极材料的性能直接影响电火花加工的加工速度、加工精度、工件表面质量等,进而影响加工效率。伴随着现代材料科学的发展,在颗粒增强铜基复合材料领域中,由于tib2相对其他陶瓷增强相而言,熔点高,刚... 详细信息

作为电火花加工环节中的一个基本要素,电极材料的性能直接影响电火花加工的加工速度、加工精度、工件表面质量等,进而影响加工效率。伴随着现代材料科学的发展,在颗粒增强铜基复合材料领域中,由于tib2相对其他陶瓷增强相而言,熔点高,刚度、硬度较高,耐磨性好,热膨胀系数较低,良好的导电导热等特性,因而其强化效果好,并且使铜基体的电导率、热导率下降量较小等特点,从而使tib2/cu复合材料具有良好的导电性及抗高温软化性能,其综合性能要优于其它陶瓷增强铜基复合材料。因此,本文提出采用tib2/cu复合材料探索其在电火花加工电极材料的应用。从经济和实用角度,对比分析tib2/cu复合材料的多种制备方法,以期待tib2/cu复合材料更为广泛的应用,初步选用了两种体积含量(5vol%和40vol%),粉末冶金制备的tib2/cu复合材料。首先,进行了物理性能和力学性能的测试。其次,依据现有试验条件采用单因素法,以加工速度、电极损耗率为工艺指标,分别研究了加工电流、脉冲宽度对tib2/cu复合材料的影响,研究其加工特性,同时进行了与紫铜电极的对比试验。最后,利用PHILIPS XL-30环境扫描电镜及能谱分析研究tib2/cu复合材料的腐蚀机理。本文尝试进行了tib2陶瓷材料作为电火花加工电极材料试验研究及分析其腐蚀机理。本论文旨在通过探讨研究,推动颗粒增强铜基复合材料的应用。为今后电火花电极材料的开发与研究提供参考数据与理论依据。

关键词：电火花加工电极材料 tib2陶瓷材料 tib2/cu复合材料工艺指标放电参数

tib2/cu复合材料磁脉冲压制工艺与摩擦磨损性能研究

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TiB2/Cu复合材料磁脉冲压制工艺与摩擦磨损性能研究

作者：华壮壮湖南大学

学位级别：硕士

cu基复合材料作为一种优异的电接触材料,由于具备优良的导电性、较高的强度、良好的导热性以及耐磨性能,被普遍运用在电触头、电焊电极、机车受电弓以及集成电路引线框架等方面。但随着科技的蓬勃发展,各行业对电接触材料的综合性能提... 详细信息

cu基复合材料作为一种优异的电接触材料,由于具备优良的导电性、较高的强度、良好的导热性以及耐磨性能,被普遍运用在电触头、电焊电极、机车受电弓以及集成电路引线框架等方面。但随着科技的蓬勃发展,各行业对电接触材料的综合性能提出了更加苛刻的要求。目前,第二相强化是制备高性能cu基复合材料最理想的方法之一,而增强相的引入虽然能够提高材料的机械性能,但势必会造成电导率的下降。tib是一种稳定的准金属化合物,具有良好的电导率、高温稳定性以及与金属相容性,是一种极佳的cu基复合材料增强相。因此,本文以磁脉冲压制技术和真空无压烧结工艺制备tib增强cu基（tib/cu）复合材料为研究对象,分析了制备复合材料的相对密度、力学性能、导电率以及耐磨性能,为tib/cu复合材料的制备与实际应用提供参考依据。首先,利用行星式球磨机制备了tib/cu混合粉末,探究了放电能量与tib含量对tib/cu复合材料压坯的影响。实验结果表明:磁脉冲压制的最佳放电能量为21 kJ,制备的3 wt.%tib/cu复合材料压坯致密效果较好。压坯端面各点显微硬度值相近,上下端面不存在明显的显微硬度差,但抗拉强度较低,易发生脆性断裂。同时,建立了3wt.%tib/cu混合粉末体的有限元压制模型,并对压制模型的可靠性和准确性进行验证。通过对不同放电能量下压制模型的数值计算,分析了压坯的相对密度、等效应力以及等效应变的变化规律。其次,研究了在21 kJ放电能量下,磁脉冲压制的3 wt.%tib/cu复合材料压坯的真空无压烧结工艺。综合考虑烧结体的相对密度、显微硬度、抗拉强度、压缩强度、电导率等因素,确定了最佳烧结温度为800℃。3 wt.%tib/cu烧结体的相对密度为97.31%,显微硬度为81.7 HV0.5,抗拉强度为233.7 MPa,压缩强度为324.8 MPa,电导率为53.7%IACS。在相同的实验参数下制备了纯cu烧结体,对比并阐述了tib颗粒增强cu基复合材料的增强机制。最后,探究了磁脉冲制备的3 wt.%tib/cu复合材料在不同加载载荷与加载频率下的摩擦磨损性能。结果表明,试样的摩擦系数在加载频率3 Hz、加载载荷10 N时最小,值为0.5155,磨损率随着加载载荷与加载频率的增大而增大。磨损类型主要包括:磨粒磨损、不同程度的粘着磨损、疲劳磨损以及氧化磨损。

关键词：磁脉冲粉末压制 tib2/cu复合材料数值模拟烧结性能摩擦磨损

不同粒径tib2/cu复合材料热传导模拟与实验

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复合材料学报 2020年第10期37卷 2534-2542页

作者：张祥峰国秀花宋克兴冯江林焕然王旭河南科技大学材料科学与工程学院洛阳471023

采用ANSYS对不同粒径tib2/cu复合材料热传导过程进行模拟。采用粉末冶金法制备了不同粒径tib2增强的cu复合材料,采用LINSEIS LFA1600激光导热仪测试了室温至280℃下的tib2/cu复合材料热传导性能变化,并与模拟结果进行对比。结果表明:热... 详细信息

采用ANSYS对不同粒径tib2/cu复合材料热传导过程进行模拟。采用粉末冶金法制备了不同粒径tib2增强的cu复合材料,采用LINSEIS LFA1600激光导热仪测试了室温至280℃下的tib2/cu复合材料热传导性能变化,并与模拟结果进行对比。结果表明:热导率模拟结果与实验结果吻合较好。在50~200℃之间,复合材料热导率变化不大,在6%~9%范围内波动。200℃之后,模拟值与实验值均呈现出随温度升高而增大的趋势,且吻合度较高。这是由于温度低于200℃时,在模拟过程中未考虑材料界面处两相不同热膨胀系数的影响,导致模拟值与实验值有较大的差异。当温度高于200℃时,模拟值和实验值吻合程度趋于稳定。在200℃时,由于两相热膨胀系数的影响,复合材料内部界面处等效应力大于cu基体屈服强度,使其发生塑性变形,从而引起热导率发生较大幅度变化。此外,热导率随着tib2粒径的增大呈现出先提高后降低的趋势,在10μm时达到最大。这是由于当颗粒直径小于临界平均直径时,颗粒直径的增大会减少界面数量,从而降低界面热阻。当颗粒直径大于临界平均直径时,平均自由程l的急剧增加导致热导率降低。

关键词： tib2/cu复合材料 ANSYS有限元分析不同粒径热导率热膨胀系数

多粒径tib2/cu复合材料耐电弧侵蚀行为

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复合材料学报 2020年第10期37卷 2526-2533页

作者：国秀花林焕然宋克兴王旭张祥峰冯江河南科技大学材料科学与工程学院洛阳471023 有色金属共性技术河南省协同创新中心洛阳471023 河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室洛阳471023

采用粉末冶金工艺制备了不同配比的多粒径(2μm+10μm+50μm) tib2/cu复合材料。通过JF04C触点材料测试系统对多粒径tib2/cu复合材料进行耐电弧侵蚀性能试验,研究(2μm+10μm+50μm) tib2颗粒质量比分别为1∶1∶1、1∶1∶3、1∶3∶1、3... 详细信息

采用粉末冶金工艺制备了不同配比的多粒径(2μm+10μm+50μm) tib2/cu复合材料。通过JF04C触点材料测试系统对多粒径tib2/cu复合材料进行耐电弧侵蚀性能试验,研究(2μm+10μm+50μm) tib2颗粒质量比分别为1∶1∶1、1∶1∶3、1∶3∶1、3∶1∶1时,tib2/cu复合材料的耐电弧侵蚀性能及电弧侵蚀形貌变化规律,探究多粒径配比对tib2/cu复合材料表层耐电弧侵蚀行为的影响。结果表明:当(2μm+10μm+50μm) tib2颗粒质量比为1∶1∶1时,tib2/cu复合材料相对密度和导电率最高,分别为99.1%和87.1%IACS。当(2μm+10μm+50μm) tib2颗粒质量比为1∶1∶1和1∶3∶1时,tib2/cu复合材料的组织均匀性较好,电弧侵蚀后材料损失相同,材料转移量最少。其中,质量比为1∶3∶1时,tib2/cu复合材料平均燃弧能量最低,且燃弧时间和燃弧能量最稳定。研究表明,这与复合材料的综合物理性能密切相关。在颗粒增强cu基复合材料设计过程中,引入合适配比的多粒径tib2颗粒有助于提高tib2/cu复合材料的密度、导电率等综合物理性能。电弧侵蚀过程中,不同粒径的tib2颗粒相互协同作用,有助于提高tib2/cu复合材料的耐电弧侵蚀性能和服役稳定性。

关键词：粉末冶金多粒径 tib2/cu复合材料电弧侵蚀材料转移

tib2颗粒混杂对tib2/cu复合材料微观组织和性能的影响

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材料热处理学报 2018年第8期39卷 7-13页

作者：张胜利宋克兴国秀花冯江龙飞梁淑华河南科技大学材料科学与工程学院河南洛阳471023 河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室河南洛阳471023 有色金属共性技术河南省协同创新中心河南洛阳471023 西安理工大学材料科学与工程学院陕西西安710048

采用粉末冶金工艺,分别制备了单一粒径tib2颗粒和混杂粒径tib2颗粒的tib2/cu复合材料,研究了tib2颗粒混杂（2μm＋50μm）增强对tib2/cu复合材料微观组织和性能的影响。结果表明：在tib2颗粒总含量一定的条件下,与单一粒径tib2颗粒增强T... 详细信息

采用粉末冶金工艺,分别制备了单一粒径tib2颗粒和混杂粒径tib2颗粒的tib2/cu复合材料,研究了tib2颗粒混杂（2μm＋50μm）增强对tib2/cu复合材料微观组织和性能的影响。结果表明：在tib2颗粒总含量一定的条件下,与单一粒径tib2颗粒增强tib2/cu复合材料相比,tib2颗粒混杂增强tib2/cu复合材料的综合性能明显提高;当2μm与50μm tib2颗粒混杂配比为1∶2时,tib2/cu复合材料综合性能最佳,硬度和导电率分别为69 HB和85.3%·IACS,相对于2μm单一粒径tib2颗粒增强tib2/cu复合材料的硬度和导电率分别提高了12.2%和4.8%;tib2颗粒混杂粒径tib2/cu复合材料的增强作用来源于获得了均匀致密的微观组织,不同粒径tib2颗粒在铜基体中更加弥散分布,使得混杂粒径的tib2颗粒协同增强铜基体作用更加明显,综合性能明显提高。

关键词： tib2/cu复合材料颗粒混杂微观组织相对密度协同增强

原位自生tib2/cu复合材料显微组织与性能的研究

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原位自生TiB2/Cu复合材料显微组织与性能的研究

作者：王娜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本文以铜、硼和钛的单质粉末为原料,经混粉-冷压成形-真空电磁烧结-热压工艺,制备了原位自生纳米级tib2陶瓷颗粒增强铜基复合材料。针对Ti-B-cu体系,本文借助XRD和SEM分析,对tib2/cu复合材料的相组成和显微组织进行了研究,并通过液淬实... 详细信息

本文以铜、硼和钛的单质粉末为原料,经混粉-冷压成形-真空电磁烧结-热压工艺,制备了原位自生纳米级tib2陶瓷颗粒增强铜基复合材料。针对Ti-B-cu体系,本文借助XRD和SEM分析,对tib2/cu复合材料的相组成和显微组织进行了研究,并通过液淬实验和差热分析,研究了Ti-B-cu体系中tib2增强相的生成机制;通过测试硬度、拉伸强度、导电率等研究了tib2/cu复合材料的力学性能和电学性能。综合液淬分析和差热结果可知:在Ti-B-cu体系中,先后生成cu3Ti和tib2。其中tib2主要是靠生成中间相cu3Ti时产生的富B相和cu3Ti分解产生的富Ti相之间的相互扩散产生原位反应生成的。通过控制反应原料的组成,可以得到纯粹的tib2反应产物;在Ti-B-cu体系中,针对不同的铜含量,tib2增强相大量生成时的温度均为1048℃左右。实验结果表明:在电磁场条件下,反应体系同时受到电磁场和热场的综合作用,反应区内热量的积累速率更大,反应更容易进行。利用电磁场条件下的原位合成反应在铜基体内生成了电学和力学性能优良,颗粒细小,且分布弥散的tib2颗粒增强相,tib2尺寸约为50-300纳米左右。通过该工艺制备的原位自生tib2/cu复合材料具有良好的力学性能和电学性能,成分为3.5wt.%的tib2/cu复合材料,维氏硬度达127.6HV,导电率达74.5%IACS,而对应的抗拉强度高达574.8MPa。

关键词：原位自生 tib2/cu复合材料显微组织力学性能电学性能

可控增强体分布tib2/cu复合材料的制备及组织性能研究

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可控增强体分布TiB2/Cu复合材料的制备及组织性能研究

作者：杜翔西安理工大学

学位级别：硕士

增强体组织结构的调控是开发高性能金属基复合材料的有效途径。本文采用粉末冶金法,通过改变混粉工艺和初始粉末形态得到微观组织存在明显差异的tib/cu复合材料,分析总结微观组织与材料性能间的关系。以此为依据设计实验,制备出具有非... 详细信息

增强体组织结构的调控是开发高性能金属基复合材料的有效途径。本文采用粉末冶金法,通过改变混粉工艺和初始粉末形态得到微观组织存在明显差异的tib/cu复合材料,分析总结微观组织与材料性能间的关系。以此为依据设计实验,制备出具有非均匀结构的tib/cu复合材料,并研究组织非均匀性对复合材料性能的影响规律。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对复合材料进行物相分析和组织表征,并对不同组织结构复合材料的硬度、导电率和拉伸性能进行测试。主要研究结果如下:(1)采用不同粒度的Ti粉与cu、B粉分别进行机械混合和球磨得到复合粉末,再经过成型和烧结制备tib/cu复合材料。结果表明,球磨相比于机械混合制得的复合材料第二相更加均匀分散,材料的力学性能更佳,但导电率较低;混粉工艺相同时,选用粒度为1 μm的Ti粉能够得到第二相更加细小,团聚较少的复合材料,此时材料的综合性能较好。(2)采用不同粒度的球形cu粉制备tib/cu复合材料。cu粉尺寸为1μm时,复合材料中的增强体宏观均匀,此时材料的导电率较低,而硬度最高;随着cu粉尺寸的增加,第二相连通为三维网络状结构,在基体中呈非均匀分布状态,复合材料导电率升高,而硬度降低。结果表明非均匀的三维网络状结构有利于复合材料导电性能的提高。(3)将球磨和机械混合两种工艺相结合,通过改变参与球磨cu粉的质量比制备出组织非均匀程度不同的复合材料,从而实现非均匀增强体分布的可调控,其显微组织为增强体富集区和贫化区两种组织的混合状态。随着参与球磨cu粉质量比的增加,复合材料的组织宏观上趋于均匀化,而微观尺度上仍为非均匀状态,且复合材料的导电率逐渐降低,而硬度呈线性增加趋势。(4)在非均匀结构tib/cu复合材料中,参与球磨的cu粉有利于拉伸强度的提高,而机械混合过程中加入的cu粉对复合材料塑性的提高是有益的。(5)增强体的团聚程度对材料性能有重要影响,适当的冷变形可以显著提高复合材料的综合性能。机械混合制得的复合材料经变形处理后具有较为优良的综合性能;非均匀结构tib/cu复合材料中,随着增强体宏观均匀化程度的增加,材料的综合性能呈逐步增加趋势,并在球磨cu粉质量比为90%时达到最佳。

关键词： tib2/cu复合材料混粉工艺粉末形态非均匀结构增强体分布可调控

原位反应制备tib2/cu复合材料的组织及性能研究

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原位反应制备TiB2/Cu复合材料的组织及性能研究

作者：王晨西安理工大学

学位级别：硕士

由于tib2具有良好的机械性能和导电性能,将其与铜制备成tib2/cu复合材料已经展现出良好的工业应用前景。本课题分别采用cu-Ti-B体系通过真空非自耗电弧熔炼法和热压法,采用cu-Ti-B4C、cu-TiH2-B体系通过热压法原位反应制备了tib2/cu复... 详细信息

由于tib2具有良好的机械性能和导电性能,将其与铜制备成tib2/cu复合材料已经展现出良好的工业应用前景。本课题分别采用cu-Ti-B体系通过真空非自耗电弧熔炼法和热压法,采用cu-Ti-B4C、cu-TiH2-B体系通过热压法原位反应制备了tib2/cu复合材料。利用X射线衍射(XRD)对tib2/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)对复合材料的微观组织,增强相的形貌、尺寸和分布情况进行分析,并通过对不同tib2含量的复合材料的硬度、导电率和致密度等性能的研究,得出以下结论:(1)对于cu-Ti-B体系,通过电弧熔炼法成功制备出tib2/cu复合材料。在复合材料中,tib2颗粒呈梅花状团聚在一起,且分布极不均匀。tib2颗粒尺寸为微米级。复合材料的硬度随tib2含量的增加而升高,导电率却降低。将5wt.%tib2/cu复合材料再进行真空感应熔炼,导电率提高了73%,但是硬度有所降低;将5wt.%tib2/cu复合材料再进行冷变形加工,硬度和导电率分别提升了32%和59%。(2)对于cu-Ti-B、cu-Ti-B4C、cu-TiH2-B三种体系,通过热压法成功制备出tib2/cu复合材料。tib2含量较低的复合材料中,tib2颗粒分布均匀弥散,而tib2含量较高的复合材料中,tib2颗粒团聚现象严重。tib2颗粒呈六边形,尺寸主要为纳米级。cu-Ti-B4C体系中有TiC颗粒生成,呈近球形,尺寸为纳米级:cu-TiH2-B体系中有少量tib晶须生成,呈短棒状,直径约为100nm,长度为微米级。(3)对于热压法制备的tib2/cu复合材料,其硬度随tib2含量的增加而升高,导电率和致密度却降低。与cu-Ti-B体系和cu-Ti-B4C体系相比,cu-TiH2-B体系制备的tib2/cu复合材料的硬度和导电率均有所提高,同时致密度也维持在较高水平。(4)cu-TiH2-B体系的反应机制为,TiH2在加热脱氢过程中发生TiH2→TiH1.5→Ti相变;随后cu和TiH2分解后产生的Ti发生固态扩散反应,生成cu3Ti金属间化合物;最后cu3Ti中的Ti原子与B发生反应,生成了tib2颗粒和少量的tib晶须。复合材料中作为基体的cu也参与了整个原位反应的过程。cu-Ti-B体系、cu-Ti-B4C体系与cu-TiH2-B体系的反应机制类似。

关键词： tib2/cu复合材料原位反应显微组织硬度导电率

喷射沉积法制备tib2/cu复合材料及性能组织研究

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喷射沉积法制备TiB2/Cu复合材料及性能组织研究

作者：刘笛西安理工大学

学位级别：硕士

为提高铜合金的软化温度,向铜基体内加入硬度高、熔点高、耐磨性好、导电性好的tib2颗粒来提高复合材料的高温强度是较常用的强化方法,然而采用传统方法制备的tib2/cu复合材料常存在增强相分布不均匀、团聚严重等问题。反应喷射沉积是... 详细信息

为提高铜合金的软化温度,向铜基体内加入硬度高、熔点高、耐磨性好、导电性好的tib2颗粒来提高复合材料的高温强度是较常用的强化方法,然而采用传统方法制备的tib2/cu复合材料常存在增强相分布不均匀、团聚严重等问题。反应喷射沉积是将原位反应和喷射沉积结合起来的一种制备颗粒增强金属基复合材料的新方法,制备的复合材料具有增强相尺寸细小且弥散分布均匀、界面结合良好、工艺简单且成本低。本论文采用喷射沉积法制备了tib2/cu复合材料,并对喷射沉积中的雾化、反应沉积及致密化过程进行了讨论。在雾化阶段使用铜钛合金研究了雾化工艺参数对粉末粒度分布及形貌的影响,然后对制备的铜钛合金粉末内部形貌、成分、理论固溶度进行了分析;在雾化的基础上使用喷射沉积法制备了 tib2/cu复合材料,首先对喷射沉积工艺参数进行了优化,然后对沉积坯进行了成分、组织形貌及性能分析;将制备的沉积坯通过热压烧结和冷变形两种手段进行了致密化处理。实验得出如下结论:（1）气雾化法制备的铜钛合金粉末具有粒度细小、球形度高、异形粉末数量少的特点,雾化压力为5MPa,过热度为300℃,喷嘴直径为4mm是雾化铜钛合金最佳工艺参数。雾化粉末内部由树枝晶和等轴晶组成,50-150μm的粉末内部晶粒尺寸约为10μm。（2）粉末粒径越小,粉末内部晶格畸变程度越大,粉末中钛含量越高,50-100μm粉末理论计算固溶度为2.0wt.%。粉末中钛元素实际含量为2.1wt.%,氧元素含量为0.034wt.%;50-100μm的粉末中钛含量为1.8wt.%。（3）雾化压力为3MPa,喷嘴直径为3.5mm,过热度为300℃,气流量为15L/min是喷射沉积最佳工艺参数,制备的沉积坯密度为8.1g/cm3。喷射沉积法制备的沉积坯不同位置性能不同,边缘区域导电率为10%IACS,硬度为60HB;中心区域导电率较高为22%IACS,硬度在70-80HB之间;沉积坯中钛元素含量为3.0wt.%,硼元素含量在1-1.5wt.%之间;15L/min气流量制备的沉积坯硬度为93HB,导电率为13%IACS,颗粒表面硼粉末和钛元素反应生成了 tib2相颗粒。（4）热压烧结对沉积坯性能有较大幅度的提高,15L/min气流量制备的沉积坯经过990℃热压烧结后密度为8.5g/cm3,导电率为17.5%IACS,硬度为126HB,抗拉强度为240MPa,断裂方式为脆性断裂;烧结后在晶界处有新的tib2颗粒生成,但是晶界处tib2颗粒团聚严重。（5）15L/min气流量制备的沉积坯经过40%变形量冷轧后密度为8.53g/cm3,导电率为20%IACS,硬度为155HB,抗拉强度为520MPa,伸长率为4.1%,断裂方式为脆性断裂。经过40%变形量冷轧后,不同硼含量的沉积坯性能明显升高,随着硼含量的增加,沉积坯的导电率先增大后降低,沉积坯的抗拉强度及伸长率逐渐降低,断裂方式由塑性断裂变为脆性断裂。

关键词：反应喷射沉积 tib2/cu复合材料致密度导电率抗拉强度