CN103540780B - 一种高强度镍基高温自润滑复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度镍基高温自润滑复合材料的制备方法。复合材料通过热压烧结技术制备。复合材料在低温至900℃下具有低摩擦磨损与高强度的特性。材料适合制作高温轴承、轴衬、滑块、密封件等在低温至900℃下使用的高温机构润滑部件，在航空、冶金和机械等领域，具有广泛的应用前景。

Description

一种高强度镍基高温自润滑复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度镍基高温自润滑复合材料的制备方法，材料的特点是同时具有高强度和优异润滑性，可以在低温至900℃下使用。
背景技术
航空航天、冶金、机械、汽车和核动力等现代工业对室温至高温的宽温度范围具有连续润滑的材料和技术具有巨大的需求。涉及到700℃甚至更高温度的高温运动部件的润滑问题越来越多。当机械运动部件处在高于400℃的温度，其润滑和耐磨问题成为整个系统安全、可靠和稳定运行的关键。目前，解决高温润滑问题主要通过自润滑涂层和自润滑复合块体材料两种方法。传统的自润滑复合涂层，由于涂层与基底结合力较弱、热膨胀匹配性差或涂层厚度太薄，不能满足较为苛刻条件下的使用要求。固体润滑剂的添加将显著降低材料的强度，高温自润滑复合材料很难达到力学性能和自润滑性的统一，难以满足实际应用要求。
      目前国内外公开报道的高温自润滑材料或者强度较低或者润滑性不佳，不能满足实际使用要求。美国专利US5034187公开了一种PM200系列高温自润滑复合材料，在室温至900℃，与一种镍钴铬合金配副的摩擦系数较低，在0.30-0.35之间，但室温压缩强度低于200MPa。NASA报道的PS304自润滑涂层，在室温至650℃下与Inconel X-750高温合金配副的摩擦系数在0.23-0.31（NASA/TM—2009-215678）。中国专利CN102102155A公开了一种镍铝/石墨的自润滑材料，与Al3O3配副时，25℃摩擦系数在0.31-0.37，600℃摩擦系数在0.42-0.48，摩擦系数较高。中国专利CN101463439B公开了一种Ni3Al基高温自润滑复合材料，与Si3N4对磨，室温至1000℃摩擦系数小于0.35，润滑性和力学性能均较好。通过无压烧结制备的PM304复合材料，与Inconel X-750高温合金配副，室温至800℃摩擦系数在0.32-0.40，但室温拉伸强度小于50MPa（Composites: Part A 38 (2007) 348–352；Wear）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时具有高强度和低摩擦磨损的高温镍基自润滑复合材料，材料在低温至900℃宽温域范围具有低摩擦、高抗磨、高强度、抗氧化和长寿命的优点，具有真正的实用价值。
      镍基合金是性能最优异的高温合金，作为高温材料已经获得了非常广泛的应用，我们选择作为基体的镍基合金，通过添加了高含量的高熔点钼和钨合金元素，提高了合金的低温和高温强度、抗蠕变性和抗磨损性能，通过采用热压烧结技术制备出高致密度的复合材料，实现材料同时具有高强度和优异润滑性。
      一种高强度镍基高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于该复合材料的制备方法包括：按照质量百分比Ag8-15%、BaF2与CaF2组成的共晶物8-15%、Cr2O35-15%以及余量的镍基合金，分别称取各粉末物料，在高能球磨机中200-300转/分的速度下混合4-8小时得到复合粉末，将复合粉末装入石墨模具，然后置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结参数为：真空小于1.0×10-1Pa，升温速率15-20℃/min，烧结温度1000-1200℃，施加压力5-20MPa，保温时间30-60min，烧结结束后，冷却至室温后得到镍基高温自润滑复合材料；所述镍基合金为雾化合金粉末，组成为Cr10-15wt%、Mo4-12wt%、W3-8wt%、Ti2-5%及余量镍；所述的共晶物由BaF262wt%以及CaF2 38wt%组成。
      采用扫描电镜分析材料的组织形貌。用显微硬度计测试材料的硬度，测定条件为，载荷300ｇ，加载持续时间10ｓ。采用三点弯曲试验测定了材料的抗弯强度，试样尺寸为30mm×3mm×3mm，跨距为25mm，压头下移速度为0.5mm/min。压缩强度测试的试样尺寸为φ3mm×4.5mm，压头下移速度为0.06mm/min。用自制的高温摩擦磨损试验机评价材料的摩擦磨损性能，采用栓-盘接触模式，制备材料作为盘试样，摩擦对偶为GH4169高温合金栓，滑动速度为1.0m/s，载荷为10N，试验时间为20min，测试温度为室温、200℃、400℃、600℃、800℃、900℃。弯曲和压缩强度、摩擦系数、磨损率结果均取3次试验平均值。
      本发明的特点之一是，材料致密度高，润滑相和抗磨相在基体中分布均匀，且与基体结合良好，材料组织结构均匀，如附图1所示。
      本发明的特点之二是，材料耐热性好、氧化稳定性高。
      本发明的特点之三是，材料低温至900℃呈现低摩擦和磨损，如附图2和附图3所示。在各温度段摩擦系数稳定，如附图4所示600℃下的代表性摩擦曲线。
      本发明的特点之四是，材料具有高强度，室温压缩强度为1350-1550MPa，室温弯曲强度为1000-1200MPa，材料硬度为3.2-3.8GPa。
      复合材料同时具有低摩擦磨损与高强度的特性。材料适合制作高温轴承、轴衬、滑块、密封件等在低温至900℃下使用的高温机构润滑部件，在航空、冶金、机械等领域，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备材料的组织结构照片。材料致密、组织结构均匀、晶粒细小、润滑相在基体中分布均匀。
      图2为本发明制备材料摩擦系数随温度变化曲线。平均摩擦系数在室温至900℃低于0.25，且摩擦系数随温度变化较小。
      图3为本发明制备材料磨损率随温度变化曲线。磨损率在10-5mm3/Nm至10-4mm3/Nm量级，随温度的升高而升高，材料抗磨损性能较好。
      图4为本发明制备材料在600℃下的摩擦系数随时间变化的代表性曲线。摩擦系数比较稳定。
具体实施方式
实施例1：
      按照质量百分比为：Ag10%、BaF2与CaF2共晶物10%、Cr2O310%、镍基合金70%，分别称取各粉末物料，其中镍基合金成分为：70Ni-15Cr-8Mo-5W-2Ti。在高能球磨机中200转/分的速度下混合6小时得到复合粉末，将复合粉末装入石墨模具，然后置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结参数为：真空为0.8×10-1Pa，升温速率20℃/min，烧结温度1100℃，施加压力20MPa，保温时间30min。烧结结束后，材料随炉冷却至室温取出。
      材料的室温压缩强度为1515MPa，弯曲强度为1128MPa，硬度为3.48GPa，室温至900℃平均摩擦系数和磨损率如下表1所示。
表1：实施例1材料摩擦系数与磨损率
实施例2：
      按照质量百分比为：Ag12%、BaF2与CaF2共晶物10%、Cr2O35%、镍基合金73%，分别称取各粉末物料，其中镍基合金成分为：70Ni-15Cr-8Mo-5W-2Ti。在高能球磨机中300转/分的速度下混合6小时得到复合粉末，将复合粉末装入石墨模具，然后置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结参数为：真空为0.6×10-1Pa，升温速率20℃/min，烧结温度1100℃，施加压力15MPa，保温时间30min。烧结结束后，材料随炉冷却至室温取出。
      材料的室温压缩强度为1483MPa，弯曲强度为1140MPa，硬度为3.36GPa，室温至900℃平均摩擦系数和磨损率如下表2所示。
表2：实施例2材料摩擦系数与磨损率
实施例3：
      按照质量百分比为：Ag12%、BaF2与CaF2共晶物8%、Cr2O320%、镍基合金60%，分别称取各粉末物料，其中镍基合金成分为：71Ni-12Cr-10Mo-4W-3Ti。在高能球磨机中300转/分的速度下混合6小时得到复合粉末，将复合粉末装入石墨模具，然后置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结参数为：真空为0.6×10-1Pa，升温速率20℃/min，烧结温度1200℃，施加压力15MPa，保温时间30min。烧结结束后，材料随炉冷却至室温取出。
      材料的室温压缩强度为1380MPa，弯曲强度为1062MPa，硬度为3.75GPa，室温至900℃平均摩擦系数和磨损率如下表3所示。
表3：实施例3材料摩擦系数与磨损率

Claims (1)

1.一种高强度镍基高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于该复合材料的制备方法包括：按照质量百分比Ag8-15%、BaF2与CaF2组成的共晶物8-15%、Cr2O35-15%以及余量的镍基合金，分别称取各粉末物料，在高能球磨机中200-300转/分的速度下混合4-8小时得到复合粉末，将复合粉末装入石墨模具，然后置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结参数为：真空小于1.0×10-1Pa，升温速率15-20℃/min，烧结温度1000-1200℃，施加压力5-20MPa，保温时间30-60min，烧结结束后，冷却至室温后得到镍基高温自润滑复合材料；所述镍基合金为雾化合金粉末，组成为Cr10-15wt%、Mo4-12wt%、W3-8wt%、Ti2-5%及余量镍；所述共晶物由BaF262wt%以及CaF2 38wt%组成。
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