CN103882257A - 一种TiAl-石墨烯-Ti3SiC2自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料及其制备方法。该复合材料制备方法包括如下步骤：1）按Ti：Al的摩尔比=1：1～1.5，选取Ti粉、Al粉；按石墨烯和Ti₃SiC₂质量比=1:4，且复合润滑剂石墨烯和Ti₃SiC₂加入量为Ti粉和Al粉总质量的5-15wt%，选取石墨烯和Ti₃SiC₂粉；然后将复合润滑剂添加到上面的基体混合粉末中，得到配料；2）将上述配料置于振动球磨机内干磨40分钟得到预处理好的混合粉末；3）将预处理好的混合粉末置于石墨模具中，然后真空条件下采取放电等离子烧结工艺制备TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料。所制得复合材料纯度高、晶粒细小、致密度高，且具有优良的力学性能和摩擦学性能。本发明具有制备周期短、成本低、操作流程简单和适于规模化批量生产等特点。

Description

一种TiAl-石墨烯-Ti3SiC2自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于自润滑复合材料领域，特别涉及一种TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料及其制备方法。 

背景技术

由于自身优异性能，如优良的高温强度、刚度及低密度，高的比模量、比强度，良好的抗高温蠕变性能和抗氧化能力，TiAl合金成为了航空、航天、军事工业和先进制造业等高新技术领域理想轻质结构材料，成为近些年来的轻质合金中研究的热点（[1]陈玉勇,孔凡涛.TiAl合金显微组织细化[J].金属学报,2008,424（5）:551-556;[2]冯旭东,袁庆龙,曹晶晶,苏志俊.TiAl基合金研究进展[J].航天制造技术,2009（3）:35-38.）。在航空、航天、军事工业和先进制造业等高新技术领域，随着科学技术的发展，许多高端装备摩擦副的工况日益严峻，摩擦、磨损和润滑问题日益突出，致使对润滑技术的要求越来越苛刻，要求润滑技术既要满足严峻的环境下工作，又要达到最低摩擦损失和最长使用寿命等要求。相比润滑油和润滑脂，固体润滑剂具有承载能力高、高温化学稳定性好等优点，从而保证了在高温、高压和重载等严峻工况条件下具有良好的润滑性能，广泛用于航空航天、冶金、机械、热能和环保工业等领域。固体润滑是通过不同制备工艺将固体润滑剂加入金属或陶瓷或高分子基体材料中制备成复合材料。在摩擦过程中，固体润滑剂易拖敷在摩擦表面形成润滑膜，从而保证了材料的自润滑性，使其在摩擦过程中免于摩擦损坏并减少摩擦磨损所带来的能量消耗，成为解决摩擦、磨损和润滑问题有效途径。 

摩擦学专家研究已开发出包括石墨、hBN、硫化物（MoS₂和WS₂等）、软金属（Ag、Pb和Sn等）、氧化物（WO₃、PbO和ZnO等）、氟化物（CaF₂和BaF₂等）在内的数十种常用的固体润滑剂。研究发现，现有的固体润滑剂都是以单一改善润滑而使用，因其自身性质（如强度低、硬度低等）降低材料强度与硬度等机械性能，存在大量使用时摩擦系数小而磨损率大，而使用量少时摩擦系数又大的矛盾，另一方面存在只能在较窄的温度区间具有润滑作用的局限。这种矛盾与局限大大限制了传统固体润滑剂的应用（[3]李建亮.宽温域固体润滑材料及涂层的高温摩擦学特性研究.南京理工大学博士学位论文,2009.9.）。因此，如何突破这种局限和发展更加优异的固体润滑材料和先进润滑技术一直是研究和应用所追求的。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料及其制备方法，该方法制备的复合材料具有优异的宽温域摩擦学性能，且该方法工艺简单、工艺参数易控制。 

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为： 

一种TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料，它由Ti粉、Al粉、石墨烯粉和Ti₃SiC₂粉制备而成，其中Ti：Al的摩尔比=1：1～1.5，石墨烯和Ti₃SiC₂质量比=1:4，复合润滑剂石墨烯和Ti₃SiC₂两者加入的总质量为Ti粉和Al粉总质量的5-15wt.%。 

一种TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤： 

1）按Ti：Al的摩尔比=1：1～1.5，选取Ti粉、Al粉；按石墨烯和Ti₃SiC₂质量比=1:4，且复合润滑剂石墨烯和Ti₃SiC₂₂两者加入的总质量为Ti粉和Al粉总质量的5-15wt.%，选取石墨烯粉和Ti₃SiC₂粉； 

将Ti粉、Al粉混合，得到混合粉末，然后添加石墨烯粉和Ti₃SiC₂粉到所述混合粉末中，得到配料； 

2）将上述配料置于振动球磨机内干磨，得到混合粉料； 

3）将上述处理好的混合粉料置于石墨模具中，然后真空条件下采取放电等离子烧结工艺制备TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料。 

上述方案中，所述步骤2）中的振动球磨机的振动球磨罐内壁为聚四氟乙烯。 

上述方案中，所述步骤2）中的振动球磨机振动频率为50Hz，振幅为5mm，振动力为10000N，振荡时间为40分钟。 

上述方案中，所述步骤3）中的石墨模具的内直径为20mm。 

上述方案中，所述步骤3）中的放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1000-1100℃、升温速率为100-150℃/min、烧结压力为30-50MPa、真空度为1×10^-2-1×10^-1Pa、保温时间为4-8min。 

本发明的有益效果是： 

1、制备所需原料来源广、设备简单：具有价格较低、设备成本较低、容易控制的特点，并适用于规模化生产。 

2、采用SPS来制备TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料，可以降低烧结温度、缩短烧结时间，例如合成温度低1000-1100℃，合成时间短4-8min，节约能源，降低制备成本。 

3、本发明制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料是由TiAl基体、石墨烯和Ti₃SiC₂为复合润滑剂设计而成的一种新型的高性能宽温域自润滑复合材料。 

4、本发明制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料，利用复合润滑剂的协同润滑作用在25-800℃宽温度区间表现出良好的摩擦学性能。 

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图。 

图2（a）是石墨烯和实施例1制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的拉曼图谱， 图2（b）是实施例1制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的X射线衍射曲线。 

图3是本发明实施例1制得的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料在室温25℃条件下磨痕表面的电子探针照片。 

图4是本发明实施例1制得的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料在200℃条件下磨痕表面的电子探针照片。 

图5是本发明实施例1制得的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料在400℃条件下磨痕表面的电子探针照片。 

图6是本发明实施例1制得的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料在600℃条件下磨痕表面的电子探针照片。 

图7是本发明实施例1制得的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料在800℃条件下磨痕表面的电子探针照片。 

图8（a）和图8（b）是测试本发明实施例1所制得的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料、T1和T2的摩擦系数和磨损率曲线，测试条件为：滑动频率15.35Hz、时间40min、摩擦半径2mm、载荷10N、温度25-800℃。采用HT-1000高温摩擦磨损实验机，依据美国标准ASTM G99-95，其中摩擦副为Si₃N₄球（d=6mm，HV15GPa，Ra0.02μm）。 

图9是测试本发明实施例2所制得的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率曲线，测试条件为：滑动频率15.35Hz、时间40min、摩擦半径2mm、载荷10N、温度25-800℃。采用HT-1000高温摩擦磨损实验机，依据美国标准ASTM G99-95，其中摩擦副为Si₃N₄球（d=6mm，HV15GPa，Ra0.02μm）。 

图10是测试本发明实施例3所制得的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材的摩擦系数和磨损率曲线，测试条件为：滑动频率15.35Hz、时间40min、摩擦半径2mm、载荷10N、温度25-800℃。采用HT-1000高温摩擦磨损实验机，依据美国标准ASTM G99-95，其中摩擦副为Si₃N₄球（d=6mm，HV15GPa，Ra0.02μm）。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。 

实施例1： 

如图1所示，TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤： 

1）以Ti粉、Al粉为基体原料，石墨烯和Ti₃SiC₂为复合润滑剂，按Ti：Al=1：1的摩尔比配金属间化合物TiAl基体预烧结粉料，称取6.395克Ti粉、3.605克Al粉，共计10g，然后按石墨烯和Ti₃SiC₂质量比=1:4选取0.1克石墨烯和0.4克Ti₃SiC₂粉料添加到上述的基 体混合粉末中，得到配料； 

2）将上述配料置于振动球磨机内干磨40分钟，得到混合粉料。其中：振动球磨罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为50Hz，振幅为5mm，振动力为10000N，功率为0.75千瓦，振荡时间为40分钟； 

3）将上述处理好的混合粉料置于内径为20mm石墨模具中，然后真空条件下采取放电等离子烧结工艺制备TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料。其中，放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1000℃、升温速率为100℃/min、烧结压力为30MPa、真空度为1×10^-2Pa、保温时间为4min。 

图2（a）是石墨烯和实施例1制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的拉曼图谱，图2(b)是实施例1制备的复合材料的X射线衍射曲线。图2(b)表明实施例1制备出的复合材料主要由基体相TiAl、润滑相石墨烯和Ti₃SiC₂以及少量增强相TiC等组成。采用维氏硬度仪测试实施例1所制备的复合材料的硬度为HV₁657.8，依据排水法测试该复合材料的实际密度与理论密度计算相对密度为97.6%。 

图3至图7分别为实施例1制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料分别对应于测试温度为25℃、200℃、400℃、600℃、800℃的条件下的磨痕表面的电子探针照片，图3至图7说明该复合材料光滑磨痕表面存在光滑致密的摩擦层，保证其在25-800℃区间内具有优良的摩擦学性能。另外，试样的磨损率可通过公式(1)（[12]M.Y.Niu,Q.L.Bi,J.Yang,W.M.Liu.Tribological performance of a Ni₃Al matrix self-lubricating composite coating tested from25to1000℃.Surf Coat Technol,2012,206（19-20）:3938-3943.）计算得到： 

$W=\frac{V}{\mathrm{PL}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{w}V}{{\mathrm{\ρ}}_w\mathrm{PL}}=\frac{M_w}{{\mathrm{\ρ}}_w\mathrm{PL}}---\left(1\right)$

式中：V代表磨损体积，P代表载荷，S代表滑动距离，ρ_w代表材料密度，M_w代表磨损的材料质量，W的单位是mm³(Nm)^-1。 

为了进一步证明本发明制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料中复合润滑相石墨烯和Ti₃SiC₂在宽温温度条件下具有优异的协同润滑作用，本实例采用相同工艺参数放电等离子烧结制备了含1wt%石墨烯的TiAl自润滑复合材料（T1）和含4wt%Ti₃SiC₂的TiAl自润滑复合材料（T2），并测试了T1和T2在相同摩擦条件下的摩擦系数和磨损率。图8（a）和图8（b）分别是本发明实施例1所制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料、T1和T2在25-800℃区间的摩擦系数和磨损率曲线，其表明了实施例1制备的复合材料具有优良的宽温域摩擦学性能，复合润滑相石墨烯和Ti₃SiC₂在宽温温度条件下展示出优异的协同润滑作用。如图8（a）和图8（b）所示，实施例1制备的复合材料的摩擦系数和磨损率分别维持在0.34-0.42 和1.11-2.15×10^-4mm³/(Nm)。 

实施例2： 

TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤： 

1）以Ti粉、Al粉为基体原料，石墨烯和Ti₃SiC₂为复合润滑剂，按Ti：Al=1：1.3的摩尔比配金属间化合物TiAl基体预烧结粉料，称取5.771克Ti粉、4.229克Al粉，共计10g，然后按石墨烯和Ti₃SiC₂质量比=1:4选取0.2克石墨烯和0.8克Ti₃SiC₂粉料添加到上述的基体混合粉末中，得到配料； 

2）将上述配料置于振动球磨机内干磨40分钟，得到混合粉料。其中：振动球磨罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为50Hz，振幅为5mm，振动力为10000N，功率为0.75千瓦，振荡时间为40分钟； 

3）将上述处理好的混合粉料置于内径为20mm石墨模具中，然后真空条件下采取放电等离子烧结工艺制备TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料。其中，放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1050℃、升温速率为125℃/min、烧结压力为40MPa、真空度为1×10^-1Pa、保温时间为6min。 

采用维氏硬度仪测试实施例2所制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的硬度为HV₁686.3，依据排水法测试该复合材料的实际密度与理论密度计算相对密度为97.2%。图9是本发明实施例2所制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料在25-800℃区间的摩擦系数和磨损率曲线，其表明了该复合材料具有优良的宽温域摩擦学性能。如图9所示，实施例2制备的复合材料的摩擦系数和磨损率分别维持在0.34-0.41和1.03-2.15×10^-4mm³/(Nm)。 

实施例3： 

TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤： 

1）以Ti粉、Al粉为基体原料，石墨烯和Ti₃SiC₂为复合润滑剂，按Ti：Al=1：1.5的摩尔比配金属间化合物TiAl基体预烧结粉料，称取5.418克Ti粉、4.582克Al粉，共计10g，然后按石墨烯和Ti₃SiC₂质量比=1:4选取0.3克石墨烯和1.2克Ti₃SiC₂粉料添加到上述的基体混合粉末中，得到配料； 

2）将上述配料置于振动球磨机内干磨40分钟，得到混合粉料。其中：振动球磨罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为50Hz，振幅为5mm，振动力为10000N，功率为0.75千瓦，振荡时间为40分钟； 

3）将上述处理好的混合粉料置于内径为20mm石墨模具中，然后真空条件下采取放电等离子烧结工艺制备TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料。其中，放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1100℃、升温速率为150℃/min、烧结压力为50MPa、真空度为1×10^-1Pa、保温时 间为8min。 

采用维氏硬度仪测试实施例3所制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的硬度为HV₁690.1，依据排水法测试该复合材料的实际密度与理论密度计算相对密度为98.1%。图10是本发明实施例3所制备的TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料在25-800℃区间的摩擦系数和磨损率曲线，其表明了该复合材料具有优良的宽温域摩擦学性能。如图10所示，实施例3制备的复合材料的摩擦系数和磨损率分别维持在0.33-0.39和0.98-2.05×10^-4mm³/(Nm)。 

本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如频率、温度、时间、真空度等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。 

Claims (6)

1.一种TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料，其特征在于它由Ti粉、Al粉、石墨烯粉和Ti₃SiC₂粉制备而成，其中Ti：Al的摩尔比=1：1～1.5，石墨烯和Ti₃SiC₂质量比=1:4，复合润滑剂石墨烯和Ti₃SiC₂两者加入的总质量为Ti粉和Al粉总质量的5-15wt%。

2.一种TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）按Ti：Al的摩尔比=1：1～1.5，选取Ti粉、Al粉；按石墨烯和Ti₃SiC₂质量比=1:4，且复合润滑剂石墨烯和Ti₃SiC₂₂两者加入的总质量为Ti粉和Al粉总质量的5-15wt%，选取石墨烯粉和Ti₃SiC₂粉；

将Ti粉、Al粉混合，得到混合粉末，然后添加石墨烯粉和Ti₃SiC₂粉到所述混合粉末中，得到配料；

2）将上述配料置于振动球磨机内干磨，得到混合粉料；

3）将上述处理好的混合粉料置于石墨模具中，然后真空条件下采取放电等离子烧结工艺制备TiAl-石墨烯-Ti₃SiC₂自润滑复合材料。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中的振动球磨机的振动球磨罐内壁为聚四氟乙烯。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中的振动球磨机振动频率为50Hz，振幅为5mm，振动力为10000N，振荡时间为40分钟。

5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中的石墨模具的内直径为20mm。

6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中的放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1000-1100℃、升温速率为100-150℃/min、烧结压力为30-50MPa、真空度为1×10^-2-1×10^-1Pa、保温时间为4-8min。

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