CN101613824A - 一种镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及镍铝共晶合金的高温自润滑应用技术，具体为一种NiAl－28Cr－6Mo型共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用。NiAl－28Cr－6Mo型共晶合金采用电解Ni、金属Al、Cr、Mo、Hf以及Ho作为原材料，按照NiAl－28Cr－5.6Mo－0.25Ho－0.15Hf(at.％)的配比，在真空感应炉中熔炼后浇注成块体材料。NiAl－28Cr－6Mo型共晶合金的应用如下：NiAl－28Cr－6Mo型共晶合金作为高温机构滑动部件用高温自润滑耐磨材料，对磨件材料为SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料。耐磨材料的最大载荷不超过30N，最大滑动速度不超过0.5m/s，应用于700℃～900℃大气条件下处于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。在此工况下，NiAl－28Cr－6Mo型共晶合金具有优异的持久高温自润滑性能和耐磨性能，摩擦系数和磨损率低于Ni基合金，可用于代替Ni基高温自润滑耐磨材料以及其他高温自润滑耐磨材料。
Description
技术领域：
本发明涉及镍铝共晶合金的高温自润滑应用技术，具体为一种NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用。
背景技术：
金属间化合物NiAl具有高熔点(1640℃)、高导热率(70～80W/m·K)、低密度(5.86g/cm3)以及优异的抗氧化性能等优点，是理想的高温结构材料。NiAl-28Cr-6Mo共晶合金是一种多相NiAl合金，文献1[Johnson，D.R.，Chen，X.F.，Oliver，B.F.，Noebe，R.D.and Whittenberger，J.D.Intermetallics，1995年，3卷，99-113页]中，首先报道了NiAl-28Cr-6Mo共晶合金的制备方法和典型力学性能，该合金的1300K蠕变强度达到160MPa，室温断裂韧性超过20MPa·m1/2，并且由于合金中含有大量的Al和Cr元素，从而具有优异的抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能。中科院金属所通过添加少量合金元素制备了多种NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金，进一步提高了高温强度以及抗氧化性能。NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金目标在于替代Ni基高温合金用于制作先进航空发动机的涡轮导向叶片、涡轮工作叶片和火焰筒骨架等零件。但是，由于其室温脆性问题没有得到根本的解决，还无法投入实际应用。文献2[C.Y.Cui，J.T.Guo，Y.H.Qi，H.Q.Ye.Intermetallics，2002年，10卷，1001-1009页]中，中科院金属所报道了NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的制备方法如下：采用电解Ni、金属Al、Cr、Mo、Hf以及Ho作为原材料，按照NiAl-28Cr-5.6Mo-0.25Ho-0.15Hf(at.％)的配比，在真空感应炉中熔炼后浇注成块体材料。
相关文献报道过二元NiAl合金以及单一增强相的NiAl-TiB2复合材料的室温摩擦磨损性能。高温摩擦磨损方面只报道过Ni-17.5Al-15Ti-15C(at.％)粉末制备的TiC/(NiAl-Ni3Al)复合材料的摩擦磨损性能，该复合材料主要由Ni3Al相组成，含少量的NiAl相，最高摩擦磨损温度为600℃，对磨件材料为Ni基高温合金，摩擦系数为0.4。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，它开辟了镍铝共晶合金实际应用的新途径，提供了一种NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金在700℃～900℃作为高温机构滑动部件用高温自润滑耐磨材料的应用技术，采用本发明的高温机构滑动部件能获得优异的持久自润滑性能和较强的耐磨性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温机构滑动部件用高温自润滑耐磨材料，对磨件材料为SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料。
所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，耐磨材料的最大载荷不超过30N，最大滑动速度不超过0.5m/s，应用于700℃～900℃大气条件下处于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。
所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损表面生成1～3μm厚的纳米氧化物保护层。
所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的摩擦系数为0.20～0.29。
所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为8.5～18m3/mN×10-14。
本发明具有如下优点：
1、本发明NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金在摩擦表面生成了厚度为1～3μm的纳米氧化物保护层，由于该保护层在高温摩擦磨损中具有自修复性能，700℃～900℃具有持久自润滑性能，摩擦系数和磨损率均低于Ni基合金。
2、本发明NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金具有良好的抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能，可以分别与SiC、Si3N4和Al2O3陶瓷材料配副，应用范围比较广。
3、本发明将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温自润滑耐磨材料，是一种固溶强化、弥散强化、Cr(Mo)共晶相复合强化的NiAl基共晶合金，在载荷为压应力的磨损工况，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的室温拉伸塑性与硬度、强度和加工硬化能力相比成为次要的性能指标，700℃～900℃高温摩擦磨损性能展现出良好的自润滑性能，摩擦系数为0.20～0.29，磨损率为8.5～18m3/mN×10-14，摩擦系数和磨损率均低于Ni基合金，可用于代替Ni基高温自润滑耐磨材料以及其他高温自润滑耐磨材料。
附图说明：
图1不同温度下NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金与SiC配副的摩擦系数。
图2不同温度下NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金与SiC配副的磨损率。
图3纳米氧化物保护层的厚度特征。
图4纳米氧化物保护层高倍TEM形貌。
图5实施例1中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。
图6实施例1中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。
图7实施例2中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。
图8实施例2中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。
图9实施例3中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。
图10实施例3中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。
图11实施例4中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。
图12实施例4中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。
图13实施例5中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。
图14实施例5中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。
具体实施方式：
NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金采用电解Ni、金属Al、Cr、Mo、Hf以及Ho作为原材料，按照NiAl-28Cr-5.6Mo-0.25Ho-0.15Hf(at.％)的配比，在真空感应炉中熔炼后浇注成块体材料。本发明的实际应用方法按如下步骤实施：
1、将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销样品固定在上试样夹具上，陶瓷材料固定在下试样夹具上，置于加热电炉内升温，升温速度为20℃/分钟，温度到达设定温度后保温加载，上试样轴带动NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销转动开始摩擦磨损。
2、最大载荷为30N，最大滑动速率为0.5m/s，摩擦磨损实验温度为700℃～900℃，大气下干摩擦。
如图1所示，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的600℃摩擦系数高于Ni基合金。随着磨损试验温度升高到700℃，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的摩擦系数急剧降低到0.27，磨损试验温度继续升高到800℃和900℃，摩擦系数略有降低，均低于Ni基合金。磨损试验温度升高到1000℃时共晶合金的摩擦系数快速升高。
如图2所示，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的600℃磨损率高于Ni基合金，随着磨损试验温度升高到700℃，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率急剧降低为8.5m3/mN×10-14，磨损试验温度继续升高到800℃和900℃，磨损率增加，均低于Ni基合金，磨损试验温度升高到1000℃时共晶合金的磨损率快速升高。
如图3所示，在700℃～900℃温度范围内，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损表面均生成1～3μm厚的NiO-NiAl2O4-Al2O3-Cr2O3纳米氧化物保护层。图4是该氧化物保护层的高倍TEM图像，可见，氧化物颗粒为纳米氧化物。
实施例1
本实施例磨损温度为800℃，对磨件为SiC陶瓷，载荷为30N，滑动速率为0.126m/s，磨损时间为2h，滑行距离为908m。将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销固定在上试样夹具上，SiC陶瓷材料固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为800℃，升温速度为20℃/分钟，温度升到800℃后保温加载，上试样轴带动上试样转动开始摩擦磨损。停机后在空气中冷却至室温。本实施例中，摩擦表面形成1～3μm厚的纳米氧化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百多纳米。
如图5所示，实施例1中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数随磨损实验的进行，摩擦系数始终很低，磨损40分钟后，摩擦系数达到0.20的稳定状态，测得平均摩擦系数为0.196。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为9.5m3/mN×10-14。
如图6所示，实施例1中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌可以看出，摩擦表面形成了完整光滑的氧化物保护层，该保护层有点状剥落的特征。
实施例2
本实施例磨损温度为800℃，对磨件为Si3N4陶瓷，载荷为30N，滑动速率为0.126m/s，磨损时间为2h，滑行距离为908m。将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销样品固定在上试样夹具上，Si3N4陶瓷材料固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为800℃，升温速度为20℃/分钟，温度升到800℃保温加载，上试样轴带动上试样转动开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。本实施例中，摩擦表面形成1～3μm厚的纳米氧化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百多纳米。
如图7所示，实施例2中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数随磨损实验的进行发生较大幅度的波动，测得平均摩擦系数为0.29。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为14m3/mN×10-14。
如图8所示，实施例2中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌可以看出，摩擦表面形成了呈现磨粒磨损特征和塑性变形特征的氧化物保护层，保护层的局部剥落导致摩擦系数发生波动。
实施例3
本实施例磨损温度为800℃，对磨件为Al2O3陶瓷，载荷为30N，滑动速率为0.126m/s，磨损时间为2h，滑行距离为908m。将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销固定在上试样夹具上，Al2O3陶瓷固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为800℃，升温速度为20℃/分钟，温度升到800℃保温加载，上试样轴带动上试样转动开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。本实施例中，摩擦表面形成1～3μm厚的纳米氧化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百多纳米。
如图9所示，实施例3中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数在摩擦初期迅速降低，4分钟后达到平稳状态，平均摩擦系数为0.22。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为17m3/mN×10-14。
如图10所示，实施例3中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的摩擦表面形成了轻微磨粒磨损、点状剥落和塑性变形特征的氧化物保护层，硬的第三体磨粒对保护层的犁削作用导致摩擦系数发生轻微波动。
实施例4
本实施例磨损温度为700℃，对磨件为SiC陶瓷，载荷为30N，滑动速率为0.126m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为227m。将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销固定在上试样夹具上，SiC陶瓷材料固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为700℃，升温速度为20℃/分钟，温度升到700℃后保温加载，上试样轴带动上试样转动开始摩擦磨损。停机后在空气中冷却至室温。本实施例中，摩擦表面形成1～3μm厚的纳米氧化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百多纳米。
如图11所示，实施例4中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数在摩擦初期迅速降低，6分钟后达到平稳状态，平均摩擦系数为0.27。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为8.5m3/mN×10-14。
如图12所示，实施例4中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形成了轻微磨粒磨损和点状剥落特征的氧化物保护层，硬的第三体磨粒对保护层的犁削作用导致摩擦系数发生轻微波动。
实施例5
本实施例磨损温度为900℃，对磨件为SiC陶瓷，载荷为30N，滑动速率为0.126m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为227m。将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销固定在上试样夹具上，SiC陶瓷材料固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，加热温度为900℃，升温速度为20℃/分钟，温度升到900℃后保温加载，上试样轴带动上试样转动开始摩擦磨损。停机后在空气中冷却至室温。本实施例中，摩擦表面形成1～3μm厚的纳米氧化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百多纳米。
如图13所示，实施例5中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数在摩擦初期迅速降低，8分钟后达到平稳状态，平均摩擦系数为0.26。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为18m3/mN×10-14。
如图14所示，实施例6中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形成了磨粒磨损、块状剥落和塑性变形特征的氧化物保护层，硬的第三体磨粒对保护层的犁削作用导致摩擦系数发生轻微波动。
实施例结果表明，本发明采用NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温自润滑耐磨材料，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金可以与SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料配副，最大载荷不超过30N，最大滑动速度不超过0.5m/s，应用于700℃～900℃大气条件下处于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。在此工况下，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金具有优异的持久高温自润滑性能和耐磨性能。
Claims (5)
1、一种镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，其特征在于：NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温机构滑动部件用高温自润滑耐磨材料，对磨件材料为SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料。
2、按照权利要求1所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，其特征在于：耐磨材料的最大载荷不超过30N，最大滑动速度不超过0.5m/s，应用于700℃～900℃大气条件下处于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。
3、按照权利要求1所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，其特征在于：NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损表面生成1～3μm的纳米氧化物保护层。
4、按照权利要求1所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，其特征在于：NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的摩擦系数为0.20～0.29。
5、按照权利要求1所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，其特征在于：NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为8.5～18m3/mN×10-14。
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