一種新型NiAl基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為潤(rùn)滑相的新型NiAl基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空、航天及汽車工業(yè)的快速發(fā)展，一些極端工況條件如高溫、超高真空、強(qiáng)輻射等環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)部件對(duì)固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料提出了更高的要求，推動(dòng)著固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的快速發(fā)展。因此，研發(fā)新型耐高溫固體自潤(rùn)滑材料成為一種必要。NiAl基金屬材料因具有熔點(diǎn)高、密度低、熱導(dǎo)率大和抗氧化性能優(yōu)異等特點(diǎn)，而受到一些科研研究工作者的廣泛重視。（董虹星，賀躍輝.金屬間化合物NiAl的研究進(jìn)展[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007(6): 83-88.周健，郭建亭，李谷松.Ag對(duì)NiAl合金組織和性能的影響[J].材料工程，2002(3):5-11. [3] Shi,X. L.，Zhai，W. Ζ·，Wang，M.，Xu，Z. X.，Yao，J.，Song，S.Y. and Wang ,Y. Tribological Behaviors of NiAl Based SeIf-LubricatingComposites Containing Different Solid Lubricants at Elevated Temperatures[J].Wear,2014(310): 1-11.)。然而，NiAl基金屬材料的摩擦學(xué)性能較差，限制了其在航空、航空及汽車工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
[0003]近年來，一些摩擦學(xué)研究工作者對(duì)NiAl金屬間化合物的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了一系列的研究。J.A. Hawk等人將不同含量和尺寸的TiB2顆粒加入NiAl合金中，采用真空燒結(jié)等技術(shù)制備出來NiAl基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料(NiAl-TiB2)，并對(duì)其摩擦學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。研究結(jié)果表明，固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料NiAl-TiB2的磨損量隨TiB2添加量的增加而減小。（J.A. Hawk,D.E. Alman. Abrasive wear behavior of NiAl and NiAl~TiB2 composites[J]. Wear，1999，225(I):544-556.)王振生等人研究了原位內(nèi)生NiAl-Al2O3-TiC與SiC陶瓷盤配副在600-900°C下的摩擦磨損特性。研究結(jié)果表明：在700-900°C范圍內(nèi)，由于在磨痕表面上生成了具有自潤(rùn)滑性能的潤(rùn)滑層，導(dǎo)致了NiAl-Al2O3-TiC的自潤(rùn)滑性能得到顯著提高，多次摩擦測(cè)試表明所得摩擦系數(shù)和磨損率均低于Ni基高溫合金。(王振生，周蘭章，郭建亭，等.原位內(nèi)生NiAl-Al2O3-TiC的高溫磨損特性[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(6) :497-502.)周蘭章等人采用Ni粉、Al粉、TiO2粉和碳黑做為原材料，通過采用真空熱壓原位合成的工藝制備NiAl-Al2O3-TiC復(fù)合材料，在載荷不超過30N，最大滑動(dòng)速度不超過0. 5m/s，環(huán)境溫度700_900°C的工況下具有優(yōu)異的高溫自潤(rùn)滑性能和耐磨性能。（周蘭章，王振生，郭建亭等.一種鎳鋁基復(fù)合材料作為高溫自潤(rùn)滑耐磨材料的應(yīng)用.中國(guó)發(fā)明專利，專利申請(qǐng)?zhí)?00810012052.5，申請(qǐng)日期:2008-06-27.)
以往的制備工藝主要集中在通過向NiAl基體中添加固體潤(rùn)滑劑制備復(fù)合材料、在NiAl基體表面沉積潤(rùn)滑涂層、在NiAl基體中摻雜增強(qiáng)相或原位合成單純?cè)鰪?qiáng)相。然而，復(fù)合材料中潤(rùn)滑劑的添加量少，對(duì)潤(rùn)滑性能改善效果不明顯;而潤(rùn)滑劑添加量過多，則會(huì)使材料的力學(xué)性能下降。導(dǎo)致了對(duì)潤(rùn)滑劑與基體的潤(rùn)濕性很難控制，難以保證潤(rùn)滑劑在復(fù)合材料制備過程中的穩(wěn)定性。而潤(rùn)滑涂層壽命較短，涂層一旦失效將破壞摩擦副間的潤(rùn)滑性能。(李建亮.寬溫域固體潤(rùn)滑材料及涂層的高溫摩擦學(xué)特性研究[D].南京理工大學(xué)，2009.9.)
為進(jìn)一步提高NiAl基金屬材料的摩擦學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷開展新的研究工作。軟金屬Ag作為一種潤(rùn)滑相具有較低的剪切強(qiáng)度和優(yōu)良的塑性流動(dòng)性能，在摩擦磨損過程中通過產(chǎn)生晶間滑移和塑性流動(dòng)而具有較好的潤(rùn)滑性能，因而受到很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。Tyagi. R等人研究了含潤(rùn)滑劑Ag的Ni基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑相Ag在滑動(dòng)摩擦過程中會(huì)向磨痕的表面擴(kuò)散，形成了具有低剪切應(yīng)力潤(rùn)滑膜，提高了復(fù)合材料的潤(rùn)滑性能，降低材料的摩擦系數(shù)和磨損率。（Tyagi · R. ,Xiong D S，Li J L，et al. Elevatedtempersture tribological behavior of Ni based composites containing nano-silver and hBN [J]· Wear,2010,269(11): 884-890 ·)王昊?路等人的研究表明，由于軟金屬Ag在摩擦磨損的過程中從基體中不斷地被擠出，在磨痕表面鋪展成潤(rùn)滑膜，提高了復(fù)合材料的減摩、耐磨性能。（王昊璐，李長(zhǎng)生，董麗榮，等.不同含量Ag摻雜對(duì)YBa2Cu3Ox和Bi2Sr2CaCu2Ox固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009( 10):55-57.)
近年來，由于層狀結(jié)構(gòu)的板狀晶體，具有制造工藝簡(jiǎn)單可靠、且易與基體復(fù)合等優(yōu)良性能，價(jià)格較低、熱穩(wěn)定性高。在摩擦磨損過程中，由于層狀結(jié)構(gòu)的板狀晶體層間結(jié)合力較弱，在滑動(dòng)摩擦磨損的過程中通過層與層之間的分離，達(dá)到提高固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料減摩和抗磨性能，因而，層狀結(jié)構(gòu)的板狀晶體可選擇作為一種優(yōu)良的固體潤(rùn)滑劑。
[0004]周振君等人采用氧化鋁制備出了含板狀氧化鋁的Y-TZP/板狀氧化鋁復(fù)相陶瓷，并研究了其摩擦學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，相同載荷下Y-TZP/板狀氧化鋁復(fù)相陶瓷的磨損率較低。（周振君，郭艷杰，楊正方.四方氧化鋯多晶/氧化鋁復(fù)相陶瓷的摩擦磨損性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2007(27): 166-171.)。
[0005]上述有關(guān)報(bào)道在合成工藝、工藝參數(shù)、技術(shù)路線、原始材料與配比等方面都和本發(fā)明存在著顯著的不同?？紤]到Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體具有良好的層狀結(jié)構(gòu)、制造工藝簡(jiǎn)單可靠、較易與基體復(fù)合等優(yōu)良性能，以及金屬Ag具有低剪切強(qiáng)度，易于在磨痕表面鋪展，形成一層具有減摩和抗磨性能的潤(rùn)滑膜等優(yōu)良性能，因此選用NiAl基金屬材料(NiAl)+固體潤(rùn)滑相(Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體)制備NiAl復(fù)合材料成為一種新型的減摩、抗磨和耐高溫的固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為潤(rùn)滑相的新型NiAl基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備工藝，該固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料將Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體原位復(fù)合在NiAl基體中，所得的固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，且制備工藝簡(jiǎn)單，制備過程中工藝參數(shù)容易控制。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種新型NiAl基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料，該新型NiAl基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料是以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為復(fù)合潤(rùn)滑相，由Ni粉、Al粉、Ag粉和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體制備而成，其中Ni=Al的摩爾比= 1:1，加入的Ag粉質(zhì)量為Ni粉和Al粉總質(zhì)量的（10-15)wt ·%，加入的Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體的質(zhì)量為Ni粉和Al粉總質(zhì)量的（5-10)wt · %。
[0008]所述的新型NiAl基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備工藝，它包含以下幾個(gè)步驟：
(I)按1:2:1:1的摩爾比選取鉬酸銨粉、硼粉、鋯粉和鉻粉，采用行星球磨機(jī)進(jìn)行混料和細(xì)化，制備出Mo-B-O-Zr-Cr五兀板狀晶體初始混料；
(2)在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，將Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體初始混料采用放電等離子燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)，制備出Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體；
(3)按附:41的摩爾比=1:1選取附粉和41粉，按附粉和41粉總質(zhì)量的（10-15)?丨.％選取Ag粉、按Ni粉和Al粉總質(zhì)量的（5-10)wt. %選取Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體，將Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體、Ni粉、Al粉和Ag粉進(jìn)行混合，得到配料；
(4)將步驟(3)得到的配料置于振動(dòng)混料機(jī)內(nèi)進(jìn)行干式混料，得到燒結(jié)配料；
(5)將步驟(4)得到的燒結(jié)配料采用熱壓燒結(jié)得到以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為復(fù)合潤(rùn)滑相的新型NiAl基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0009]所述步驟（I)中行星球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為100-300轉(zhuǎn)/分鐘，球料質(zhì)量比為8:1-10:1，行星球磨時(shí)間為2-3小時(shí)。
[0010]所述步驟（I)制備得到的Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體初始混料的平均粒徑為5-15
μ??ο
[0011]所述步驟(2)中的采用放電等離子燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)的工藝為:燒結(jié)溫度450-7500C，保溫時(shí)間20_40min。
[0012]所述步驟（2)制備得到的Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體厚度為2-5μπι，長(zhǎng)度為110-700ymo
[0013]所述步驟（4)中的振動(dòng)混料機(jī)外罐為鋼罐，內(nèi)置聚四氟乙烯罐，振動(dòng)頻率為45-55Hz，振動(dòng)力為9000-11000Ν，振蕩時(shí)間為50-70分鐘。
[0014]所述步驟（5)中的熱壓燒結(jié)工藝為：燒結(jié)溫度為1300-1400°C、升溫速率為40-60°C/min、燒結(jié)壓力為25-40MPa、真空度設(shè)置為I X 10—2_1 X 10—1Pa'保溫時(shí)間為60_80min。
[0015]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的自潤(rùn)滑復(fù)合材料添加硼(B)的能顯著提高鎳鋁的常溫和高溫韌性;適量的鋯(Zr)可以改善鎳鋁合金的塑性、抗蠕變能力和可鑄性;鉻(Cr)是強(qiáng)化鎳鋁合金的常用元素，它有固溶強(qiáng)化作用，能在一定程度上提高合金的強(qiáng)度和延展性。另外，金屬Ag具有低剪切強(qiáng)度，易于在磨痕表面鋪展，形成一層具有減摩和抗磨性能的潤(rùn)滑膜，通過在材料表面和晶界形成一層鉻的氧化物膜可提高合金的抗氧化能力，且由于這些元素加入量較少，如不能保證其均勻彌散，相應(yīng)效果會(huì)大大收到影響，因此本發(fā)明采用在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，將Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體初始混料采用放電等離子燒結(jié)設(shè)備進(jìn)行燒結(jié)，制備出Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體，提高了分散程度，更均一穩(wěn)定，相應(yīng)的產(chǎn)品的性能也得到改善。本發(fā)明制備得到的以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為復(fù)合潤(rùn)滑相的新型NiAl基固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料性能優(yōu)良、可行性高;制備工藝新穎，制備簡(jiǎn)單、快捷;制備所需原材料價(jià)格適中，來源廣泛;采用SPS工藝制備固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料，提高合成效率，節(jié)約能源;具有穩(wěn)定優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，該固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有優(yōu)良的減摩、抗磨性能，且易于加工，能源消耗低，適用于規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
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圖I是本發(fā)