微波烧结镍合金化Ti3SiC2/石墨烯协同增强层状多孔Fe-7.5Cu复合材料的微观结构与力学性能研究及其在摩擦材料中的应用

本研究针对多孔Fe-Cu合金在苛刻工况下强度与延性难以兼顾的问题，通过镍合金化与双相增强（Ti3SiC2/GNP(Cu)）的协同策略，结合微波烧结与片状粉末冶金技术，成功制备出仿生层状多孔复合材料。结果表明，7% Ni样品的拉伸强度提升25.13%至232.3 MPa，压缩强度提高16.14%至675.1 MPa，同时保持约23%孔隙率，为高性能可持续多孔金属基复合材料在恶劣工业环境中的应用提供了新思路。

　　

多孔Fe-Cu合金因其低密度、可控孔隙率和良好的润滑特性，在轴承、齿轮等摩擦部件中展现出巨大潜力。然而，其固有的微观结构缺陷导致在苛刻条件下强度和延性不足，限制了耐久性和广泛应用。传统合金化元素如Cr、Mo或Mn虽能提升某些性能，但存在脆化、成本高或相分离等问题。受生物材料（如贝壳）的“砖-泥”结构启发，层状设计可有效平衡强度与韧性，但如何实现微观结构精确控制与性能协同优化仍是挑战。

本研究采用微波烧结结合片状粉末冶金技术，通过引入镍（Ni）合金化与双相增强（铜包覆石墨烯GNP(Cu)和Ti₃SiC₂），制备了Fe-7.5Cu-xNi-1.0GNP(Cu)-6Ti₃SiC₂（x=1-7 wt.%）多孔层状复合材料。关键技术包括：以片状Fe、Cu粉末为基体，通过球混（300 r/min, 2 h）、冷冻干燥和微波烧结（1100°C, 10 min）成型；利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）等表征微观结构与相组成；通过阿基米德法测密度与孔隙率，显微硬度仪和万能试验机评估力学性能。

3.1. 各种粉末的微观形貌

GNP(Cu)呈现片层状 morphology，表面均匀包覆铜层，边缘部分暴露；复合粉末经球磨后，片状Fe、Cu粉末扁平化，Ti₃SiC₂破碎为亚微米级碎片，GNP取向分散良好，与片状基体粉末几何兼容性高，为层状结构构建奠定基础。

3.2. Fe-7.5Cu-xNi-1.0GNP(Cu)-6Ti₃SiC₂复合材料的相组成与微观结构

3.2.1. XRD分析

所有样品主要相为α-Fe、Cu、Ti₃SiC₂和TiC；随Ni含量增加，Fe(110)峰向高角度偏移，晶粒尺寸减小（26.83 nm至25.47 nm），晶格应变增大，表明Ni固溶引起晶格收缩与细化效应。

3.2.2. SEM表面形貌分析

表面呈现多相结构与缺陷特征：Fe基体（浅灰色）为主要承载框架，Cu相（亮色）富集于晶界与孔周；孔洞分为腔状（圆形）和裂隙状（线性裂纹），后者由Ti₃SiC₂与基体热膨胀失配导致；Ti₃SiC₂颗粒尺寸10-30 μm，界面结合良好；Ni含量增加促使Cu晶粒粗化（平均尺寸从33.94 nm增至60.91 nm），并抑制Cu氧化。

3.2.3. TEM微观结构分析

Cu晶粒纳米级分散（50-80 nm），无显著团聚；Fe₃C相呈带状结构（宽20-50 nm），平行排列，源于微波场诱导碳原子定向扩散与择优成核；Ti₃SiC₂保留层状结构，部分分解为TiC和SiC；GNP嵌入基体，与Fe、TiC界面结合清洁；Ni均匀分布于Fe-Cu晶界，形成固溶体。

3.3. 力学性能测试

随Ni含量增加，相对密度从76.63%增至77.19%；硬度各向异性，平行与垂直层状方向硬度分别达143.06 HV和147.78 HV（7% Ni样品）；拉伸强度从185.61 MPa提升至232.26 MPa，延伸率从2.875%降至2.09%；压缩强度（50%应变）从581.29 MPa增至675.12 MPa。性能优化源于固溶强化、细晶强化与增强相协同作用。

3.4. 强化机制

主要包括固溶强化（Ni原子置换引起晶格畸变，贡献17.30 MPa）、细晶强化（Hall-Petch效应，贡献32.06 MPa）、载荷传递（GNP与Ti₃SiC₂分别贡献5.03 MPa和7.62 MPa）、Orowan强化（Fe₃C、Ti₃SiC₂、TiC共同贡献34.94 MPa）和热失配强化（贡献33.25 MPa）。其中Orowan强化贡献最大，粒子分散机制主导性能提升。

本研究通过Ni合金化与双相增强策略，成功制备出具有仿生层状结构的多孔Fe-Cu复合材料。7% Ni样品展现出最佳综合性能，拉伸与压缩强度显著提升，同时保持约23%孔隙率。Ni的添加促进固溶强化与晶粒细化，同时调控Cu析出相粗化；GNP(Cu)与Ti₃SiC₂通过载荷传递、裂纹偏转和热失配效应增强力学性能；微波烧结技术实现快速加热与微观结构优化。该研究为高性能可持续多孔金属基复合材料在苛刻工业环境（如摩擦部件）中的应用提供了新思路，兼顾强度、韧性与功能孔隙率，具有重要工程意义。论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。