CN104550904A - 一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料及其制备方法，它包括如下步骤：制备Mo-B-O板状晶体润滑相；按Ti：Al摩尔比为1：1选取Ti粉和Al粉，按Ti粉和Al粉总质量的1-2wt.％选取Mo-B-O板状晶体润滑相，将Mo-B-O板状晶体润滑相与Ti粉和Al粉混合得到配料；将上述配料置于振动混料机内混合，得到烧结配料；将烧结配料采用放电等离子烧结得到所述的以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料。本发明采用放电等离子烧结等工艺，制备所得材料具有高纯度及良好的致密性，以及优良的摩擦学性能。制备过程周期短，参数稳定，易于控制。

Description

一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料及制备方法。
背景技术
与传统高温合金相比，TiAl基金属间化合物具有低密度、优良的高温强度、高比刚度和良好的抗氧化性能。([1]F.A.Guo,V.Ji,Y.G.Zhang,C.Q.Chen.A study of mechanicalproperties and microscopic stress of a two-phase TiAl-based intermetallic alloy.Materials Scienceand Engineering,A 315(2001)195-201)。除了这些性能的优异性外，TiAl金属间化合物的摩擦学性能也有许多研究并有文章报道([2]Jun Cheng,Yuan Yu,Licai Fu,Fei Li,Zhuhui Qiao,Jinshan Li,Jun Yang,Weimin Liu.Effect of TiB2on dry-sliding tribological properties of TiAlintermetallics.Tribology International,62(2013)91-99；[3]Xianjuan Pang,Lei Shi,Peng Wang,Yanqiu Xia,Weimin Liu.Effects of Al incorporation on the mechanical and tribological propertiesof Ti-doped a-C:H films deposited by magnetron sputtering.Current Applied Physics,11(2011)771-775)。为了更好地增强材料的摩擦学性能，目前多采用添加润滑相这一方式来实现。优良的润滑相不仅具备良好的润滑性和耐磨性，而且易于制备，能耗较低。因此，寻找合适的润滑相来制备优异摩擦性能的TiAl基金属间化合物一直是该领域技术人员研究的热点。
发明内容
本发明内容提供了一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料及制备方法。将Mo-B-O板状晶体与TiAl基体进行放电等离子烧结，所得自润滑材料具有良好的摩擦学性能，而且制备过程易于控制，方法简单，结果稳定。
为了实现这一目的，采取的技术方案为：
一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料，它由Ti粉、Al粉及Mo-B-O板状晶体制备而成，其中Ti：Al摩尔比为1：1，加入Mo-B-O板状晶体的质量为Ti粉和Al粉总质量的1-2wt.％。
一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)按钼酸铵：硼粉的摩尔比＝1:5，选取钼酸铵粉和硼粉，纯度为99.9％，将钼酸铵粉和硼粉行星球磨混合，得到润滑相混料，混料的平均粒径为20-50μm；
2)将球磨后混料采用气氛炉烧结，保护气体为氩气，烧结过程中通入氧气量为100-300ml/min，得到所述的Mo-B-O板状晶体润滑相，所述Mo-B-O板状晶体润滑相厚度为5μm；
3)按Ti：Al摩尔比为1：1选取Ti粉和Al粉，按Ti粉和Al粉总质量的1-2wt.％选取上述Mo-B-O板状晶体润滑相，将Mo-B-O板状晶体润滑相与Ti粉和Al粉混合得到配料；
4)将上述配料置于振动混料机内混合，得到烧结配料；
5)将烧结配料采用放电等离子烧结得到所述的以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料。
上述方案中，所述步骤1)将上述润滑相混料置于球磨机的转速为100-200转/分钟、球料质量比为6：1，行星球磨时间为2小时。
上述方案中，所述步骤2)所述的振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为15-20分钟。
上述方案中，所述步骤3)放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1100-1200℃、烧结压力为30-40MPa、真空度为1×10-2-1×10-1Pa，保温时间为5min、保护气体为氩气、升温速率为90-100℃/min，圆柱型石墨模具内直径为20mm。
上述方案中，所述步骤2)所述的气氛烧结炉内置石墨粉，气氛烧结工艺为550-650℃保温2-3h。
本发明的优点在于：
1、制备过程稳定性好，周期短，材料烧结过程参数易于控制，制备所得材料性能好。
2、采用放电等离子烧结方法制备自润滑材料，效率高，能耗低，制备得到的材料纯度较高，致密性好。
3、本发明制备的一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料具有稳定优良的摩擦学性能。
综上所述，本发明采用Mo-B-O板状晶体为润滑相制备新型TiAl基自润滑材料，所制备的自润滑材料与板状晶体结合良好。本材料采用放电等离子烧结等工艺，具有高纯度及良好的致密性，以及优良的摩擦学性能。制备过程参数稳定，易于控制。本发明制备过程中所涉及的步骤方法简单便捷，适用于规模化批量生产。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图。
图2是本发明实施例1所制备的板状晶体场发射扫面电镜照片。
图3是本发明实施例1所制备的Mo-B-O板状晶体电子探针照片。
图4是本发明实施例2制得的以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料磨痕的电子探针照片。
图5和6分别为室温条件下，测试本发明实施例1、2、3所制得的以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的摩擦系数曲线和磨损率曲线，测试条件为：载荷11.65N、滑动速度0.30m/s、时间60min、摩擦半径3mm。
图7是Mo-B-O板状晶体能谱图。
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，一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的制备方法，它包括如下步骤：
1)按钼酸铵：硼粉的摩尔比＝1:5，选取0.36克钼酸铵粉和0.10克硼粉，将钼酸铵粉、硼粉行星球磨混合，得到润滑相混料；将球磨后配料采用气氛炉烧结，气氛烧结炉内放置石墨粉，烧结工艺为550℃保温3h，保护气体为氩气，烧结过程中通入氧气量为150ml/min，得到所述的Mo-B-O板状晶体润滑相；
2)按Ti：Al摩尔比为1：1，选取12.8克Ti粉、7.2克Al粉以及Mo-B-O板状晶体0.2克混合得到配料；
3)将上述配料置于振动混料机内干磨，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为15分钟，得到烧结配料；
4)将烧结配料采用放电等离子烧结得到所述的一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料，放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1100℃、烧结压力为30MPa、保温时间为5min、保护气体为氩气、升温速率为90℃/min，圆柱型石墨模具内直径为20mm。
经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例1所制备的一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的硬度为5.6GPa，密度为3.62g/cm3。图4和图5说明该自润滑复合材料的摩擦系数小(约0.43)且波动幅度较小，磨损率为8.5×10-5mm3/(Nm)，表现出优良的摩擦学性能。图7说明了制备复合材料的板状晶体由O、Mo、B三种元素组成。
实施例2：
1)按钼酸铵：硼粉的摩尔比＝1:5，选取0.72克钼酸铵粉和0.20克硼粉，将钼酸铵粉、硼粉行星球磨混合，得到润滑相混料；将球磨后配料采用气氛炉烧结，气氛烧结炉内放置石墨粉，烧结工艺为550℃保温3h，保护气体为氩气，烧结过程中通入氧气量为200ml/min，得到所述的Mo-B-O板状晶体润滑相；
2)按Ti：Al摩尔比为1：1，选取12.8克Ti粉、7.2克Al粉以及Mo-B-O板状晶体0.3克混合得到配料；
3)将上述配料置于振动混料机内干磨，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为17分钟，得到烧结配料；
4)将烧结配料采用放电等离子烧结得到所述的一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料，放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1150℃、烧结压力为35MPa、保温时间为5min、保护气体为氩气、升温速率为95℃/min，圆柱型石墨模具内直径为20mm。
经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例1所制备的一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的硬度为5.7GPa，密度为3.82g/cm3。图4和图5说明该自润滑复合材料的摩擦系数小(约0.42)且波动幅度较小，磨损率为6.8×10-5mm3/(Nm)，表现出优良的摩擦学性能。
实施例3：
1)按钼酸铵：硼粉的摩尔比＝1:5，选取0.90克钼酸铵粉和0.25克硼粉，将钼酸铵粉、硼粉行星球磨混合，得到润滑相混料；将球磨后配料采用气氛炉烧结，气氛烧结炉内放置石墨粉，烧结工艺为550℃保温3h，保护气体为氩气，烧结过程中通入氧气量为300ml/min，得到所述的Mo-B-O板状晶体润滑相；
2)按Ti：Al摩尔比为1：1，选取12.8克Ti粉、7.2克Al粉以及Mo-B-O板状晶体0.4克混合得到配料；
3)将上述配料置于振动混料机内干磨，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为20分钟，得到配料；
4)将烧结配料采用放电等离子烧结得到所述的一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料，放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1200℃、烧结压力为40MPa、保温时间为5min、保护气体为氩气、升温速率为100℃/min，圆柱型石墨模具内直径为20mm。
经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例1所制备的一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的硬度为5.67GPa，密度为3.95g/cm3。图4和图5说明该自润滑复合材料的摩擦系数小(约0.41)且波动幅度较小，磨损率为4.1×10-5mm3/(Nm)，表现出优良的摩擦学性能。
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(如压力、温度、时间等)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)

1.一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料，其特征在于它由Ti粉、Al粉及Mo-B-O板状晶体制备而成，其中Ti：Al摩尔比为1：1，加入Mo-B-O板状晶体的质量为Ti粉和Al粉总质量的1-2wt.％。
2.一种以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)按钼酸铵：硼粉的摩尔比＝1:5，选取钼酸铵粉和硼粉，将钼酸铵粉和硼粉行星球磨混合，得到润滑相混料，混料的平均粒径为20-50μm；
2)将球磨后混料采用气氛炉烧结，保护气体为氩气，烧结过程中通入氧气量为100-300ml/min，得到所述的Mo-B-O板状晶体润滑相，所述Mo-B-O板状晶体润滑相厚度为5μm；
3)按Ti：Al摩尔比为1：1选取Ti粉和Al粉，按Ti粉和Al粉总质量的1-2wt.％选取上述Mo-B-O板状晶体润滑相，将Mo-B-O板状晶体润滑相与Ti粉和Al粉混合得到配料；
4)将上述配料置于振动混料机内混合，得到烧结配料；
5)将烧结配料采用放电等离子烧结得到所述的以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料。
3.如权利要求2所述的以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)将上述润滑相混料置于球磨机的转速为100-200转/分钟、球料质量比为6：1，行星球磨时间为2小时。
4.如权利要求2所述的以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)所述的振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为15-20分钟。
5.如权利要求2所述的以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)放电等离子烧结工艺为：烧结温度为1100-1200℃、烧结压力为30-40MPa、真空度为1×10-2-1×10-1Pa，保温时间为5min、保护气体为氩气、升温速率为90-100℃/min，圆柱型石墨模具内直径为20mm。
6.如权利要求2所述的以Mo-B-O板状晶体为润滑相的新型TiAl基自润滑材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)所述的气氛烧结炉内置石墨粉，气氛烧结工艺为550-650℃保温2-3h。
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