CN104550904B - 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
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4)所述的振动混料机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5)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)所述的气氛炉内置石墨粉,气氛烧结工艺为550-650℃保温2-3h。
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