CN106929709A - 一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料及制备方法 - Google Patents

一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料，它以石墨烯粉、Ag粉、Ni粉和Al粉为原料经依次经熔融、喷雾、激光熔融沉积和摩擦搅拌而成。本发明通过将石墨烯和Ag粉原位复合在Ni3Al球形粉末中，通过激光熔融沉积技术制得Ni3Al基自润滑材料，该材料具有优良的力学性能和抗裂纹能力，且摩擦系数和磨损率较低，摩擦系数波动小，磨损表面光滑，具有优异的摩擦学性能，且涉及的制备方法简单，制备过程中工艺参数容易控制，适合推广应用。

Description

一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料及制备方法
技术领域
本发明属于无机材料化学制备技术领域，具体涉及激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料及制备方法。
背景技术
Ni3Al合金作为一种具有潜力的结构材料，具有许多优良的性能，例如高熔点，低密度，优良的高温稳定性及力学性能等。因此，Ni3Al合金被广泛运用在工程和工业领域中，特别是在航天、机械、冶金等领域([1]江涛,万海荣,王园园,等.Ni3Al金属间化合物材料的制备工艺和研究发展现状[J].科技创新导报,2014(34):31-32.)。
然而，由于纯的Ni3Al合金摩擦学性能不太理想，因而导致纯的Ni3Al合金的推广使用受到了制约。同时，Ni3Al合金作为一种优良的高温结构材料，其熔点较高、低温塑性、韧性低，如果采用传统熔炼法，会造成成本较高和后期的材料加工性不好的问题造成。因此，进一步对纯Ni3Al合金及其制备工艺进行改进，使所得Ni3Al基材料具有优良的自润滑性能，已经成为目前科学研究的一个热点问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料及其制备方法，将石墨烯和Ag原位复合在Ni3Al基材料中，所得自润滑材料具有优异的摩擦学性能，且涉及的制备方法简单、新颖，工艺易控制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料，它以石墨烯粉、Ag粉、Ni粉和Al粉为原料依次经熔融、喷雾和激光熔融沉积而成。
上述方案中，所述Ni粉和Al粉的摩尔比为3:1；石墨烯的添加量为Ni粉和Al粉总质量的1.0-1.5％，Ag的添加量为Ni粉和Al粉总质量的4.0-6.0％。
上述一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料的制备方法，包括如下步骤：
1)以石墨烯粉、Ag粉、Ni粉和Al粉为原料，将原料混合均匀，并进行高温熔融得熔融合金液；
2)将所得熔融合金液置于雾化装置中进行真空雾化，并冷凝固化得球形的金属粉末，并筛分单颗粒的直径为60-100μm的粉料，得石墨烯/Ag/Ni3Al基球形粉末；
3)将所得石墨烯/Ag/Ni3Al基球形粉末进行激光熔融沉积，即得所述Ni3Al基自润滑材料。
上述方案中，步骤1)中采用振动混料方法将原料混合均匀。
上述方案中，所述振动混料工艺采用的振动频率为40-50Hz，振动力为8000-10000N，振荡时间为20-30min。
上述方案中，所述高温熔融工艺采用的真空度<0.01MPa，保护气体为氮气，含氧量<90ppm，温度为1000-1200℃，保温时间为20-30min。
上述方案中，所述真空雾化工艺采用的保护气体为氦气，氦气进口压力为4.8-5.2MPa，熔融合金液流量为1.0-1.4kg/min。
上述方案中，所述真空雾化工艺的具体步骤为：采用雾化装置，将其接通高压气源，待稳定运行一段时间后，打开放液阀，将熔融合金液通过环孔型喷嘴流入雾化室，熔融合金液与通入的气体相互作用而被雾化形成流场；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末。
上述方案中，所述激光熔融沉积工艺采用激光熔融沉积激光熔覆设备，该装置中配备有搅拌头，搅拌头的轴线垂直于待沉积的试样表面；沉积工艺采用的激光功率为400-600W，扫描速率为0.8-1.2m/min，送粉率为20-40g/min，扫描层厚为0.10-0.12mm，进行单层激光熔融加工后，采用设置在激光熔融沉积设备内的搅拌头对所得熔融液进行摩擦搅拌加工，摩擦搅拌处理深度为0.14-0.18mm，搅拌头的转速为400-600rpm，水平行进速度为0.6-0.8m/min，单层熔融液凝固后对所得沉积层施加0.006-0.008mm的下压量。
根据上述方案所得Ni3Al基自润滑材料具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数较小(平均值约0.15-0.19)，且波动幅度较小，磨损率为5.0×10-5-5.4×10-5mm3/(Nm)。
本发明按添加比例选取石墨烯和Ag粉末加入到基体粉末Ni粉和Al粉中，通过振动混料、高温熔融、真空气雾化的工艺技术，将石墨烯和Ag粉原位复合在Ni3Al基体中，制备出一种球形度高、粉末粒度细、纯度高的含石墨烯和Ag的Ni3Al基粉末材料；同时将激光熔融沉积的方法与摩擦搅拌加工技术相结合，制备出一种具有优良摩擦学性能与抗裂纹特性的含石墨烯和Ag的Ni3Al基自润滑材料。此外，制备过程中所涉及的步骤方法简单便捷，工艺参数易于控制，可以适用于规模化批量生产。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明通过将石墨烯和Ag粉原位复合在Ni3Al基体中，其中Ag作为一种韧性增强相用以增强材料的抗裂纹能力；石墨烯作为一种润滑相和增强相，可使基体材料具有良好的摩擦学性能，同时石墨烯和Ag粉在Ni3Al基体的原位复合作用可促进各组分之间的充分混合并有效防止裂纹。
2)本发明通过对Ni3Al基材料进行改性并结合摩擦搅拌工艺，大大降低了增材制造中出现的裂纹问题，为后续的加工提供了便利；此外，本发明采用的真空气雾化制球形粉末的方法大大提高了制备效率，节约能源，有效降低了制造自润滑材料的成本。
3)本发明采用激光熔融沉积制备Ni3Al基自润滑材料，涉及的制备方法简单，工艺参数容易控制且可行性高；且涉及的原材料成本低，来源广泛，所需设备成本较低，节能环保，适合规模化广泛应用。
附图说明
图1为本发明实施例1所得石墨烯/Ag/Ni3Al基球行粉末的扫描电镜照片，放大倍数为350倍。
图2为本发明实施例1所得石墨烯/Ag/Ni3Al自润滑材料的XRD图谱。
图3为本发明实施例1所得的Ni3Al基自润滑材料在摩擦磨损测试后得到的磨痕的电子探针照片。
图4为室温条件下，为本发明实施例1～3所得的Ni3Al基自润滑材料的动态摩擦系数曲线，其中测试条件为：载荷12N、滑动速度0.2m/s、时间40min、摩擦半径6mm。
图5为室温条件下，为室温条件下，为本发明实施例1～3所得的Ni3Al基自润滑材料的磨损率测试结果，测试条件为：载荷12N、滑动速度0.2m/s、时间40min、摩擦半径6mm。
图6为对比例1所得Ni3Al基复合材料在摩擦磨损测试后得到的磨痕的电子探针照片。
图7为对比例2所得Ni3Al基复合材料在摩擦磨损测试后得到的磨痕的电子探针照片。
具体实施方式
下面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。
以下实施例中，采用的激光熔融沉积设备为LASERTEC 65型增材与减材制造复合型激光熔覆加工机床，该装置配备有WC-Co硬质合金材料制备的搅拌头，搅拌头的轴线垂直于待沉积的试样表面。
实施例1
一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料，其制备方法包括如下步骤：
1)以石墨烯粉3.4g、Ag粉13.6g、Ni粉295g和Al粉45g为原料，按配比称取各原料，其中Ni粉与Al粉的摩尔比为3：1，石墨烯粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的1.0％，Ag粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的4.0％；
2)将称取的原料置于振动混料机内进行振动混料，采用的振动频率为40Hz，振动力为10000N，振荡时间为20分钟，将原料充分混合均匀；
3)将高温熔炼炉抽至真空度<0.01MPa，充入惰性保护气体氮气，使环境含氧量<90ppm；将步骤2)所得粉末加入高温熔炼炉中加热至1000℃保温20min，将粉末熔化为熔融合金液；
4)将所得熔融合金液通过环孔型喷嘴流入雾化装置中(雾化装置中的真空度<0.01MPa，并充入氮气使环境含氧量<90ppm)，接通高压氮气气源，待稳定运行一段时间后，打开放液阀，将步骤3)所得熔融合金液通过环孔型喷嘴流入雾化室中，熔融合金液与通入的气体(氦气)相互作用而被雾化形成流场，雾化装置中氦气的进口压力为4.8MPa，熔融合金液流量1.0kg/min；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末，冷却至室温后，按粒径范围为60-100μm的要求进行筛分，得石墨烯/Ag/Ni3Al基球形粉末(形貌图见图1)；
5)将所得含石墨烯和Ag的Ni3Al基球形粉末加入激光熔融沉积设备中，采用的激光熔融沉积结合搅拌摩擦加工工艺，其中：激光功率为400W，扫描速率为0.8m/min，送粉率为20g/min，扫描层厚为0.10mm，进行单层激光熔融加工后，采用设置在激光熔融沉积设备内的搅拌头对所得熔融液进行摩擦搅拌加工，摩擦搅拌层厚度为0.14mm，搅拌头的转速为400rpm，搅拌头的水平行进速度为0.6m/min，单层熔融液凝固后对所得沉积层施加0.006mm的下压量；采用上述工艺进行60层激光熔融沉积和搅拌摩擦加工处理，待最后一层熔融液凝固后即得所述Ni3Al基自润滑材料。
将本实施例所得Ni3Al基自润滑材料进行X射线衍射分析，结果见图2；图中结果显示：Ni3Al基自润滑材料主要包含Ni3Al、Ag、C相，没有杂质相的生成，所制备材料纯度较高。将本实施例所得Ni3Al基自润滑材料经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，其硬度为5.85GPa，相对密度为99.8％。
图3为本实施例所得Ni3Al基自润滑材料在摩擦磨损测试后得到的磨痕的电子探针照片，结果说明所得的Ni3Al基自润滑材料在摩擦磨损测试后可以得到光滑的磨损表面。图4和5分别为本实施例所得Ni3Al基自润滑材料的动态摩擦系数曲线和磨损率测试结果，结果表明所得材料的摩擦系数较小(平均值约0.17)，且摩擦系数波动幅度小，磨损率为5.1×10-5mm3/(Nm)，摩擦过后，形成光滑的磨损表面，表现出优良的摩擦学性能。
实施例2
一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料，其制备方法包括如下步骤：
1)以石墨烯粉4.25g、Ag粉17g、Ni粉295g和Al粉45g为原料，按配比称取各原料，其中Ni粉与Al粉的摩尔比为3：1，石墨烯粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的1.25％，Ag粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的5.0％；
2)将称取的原料置于振动混料机内进行振动混料，采用的振动频率为45Hz，振动力为9000N，振荡时间为25分钟，将原料充分混合均匀；
3)将高温熔炼炉抽至真空度<0.01MPa，充入惰性保护气体氮气，使环境含氧量<90ppm；将步骤2)所得粉末加入高温熔炼炉中加热至1000℃保温25min，将粉末熔化为熔融合金液；
4)将所得熔融合金液通过环孔型喷嘴流入雾化装置中(雾化装置中的真空度<0.01MPa，并充入氮气使环境含氧量<90ppm)，接通高压氮气气源，待稳定运行一段时间后，打开放液阀，将步骤3)所得熔融合金液通过环孔型喷嘴流入雾化室中，熔融合金液与通入的气体(氦气)相互作用而被雾化形成流场，雾化装置中氦气的进口压力为5.0MPa，熔融合金液流量1.2kg/min；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末，冷却至室温后，按粒径范围为60-100μm的要求进行筛分，得石墨烯/Ag/Ni3Al基球形粉末；
5)将所得含石墨烯和Ag的Ni3Al基球形粉末加入激光熔融沉积设备中，采用的激光熔融沉积结合搅拌摩擦加工工艺，其中：激光功率为500W，扫描速率为1.0m/min，送粉率为30g/min，扫描层厚为0.11mm，进行单层激光熔融加工后，采用设置在激光熔融沉积设备内的搅拌头对所得熔融液进行摩擦搅拌加工，摩擦搅拌层厚度为0.16mm，搅拌头的转速为500rpm，搅拌头的水平行进速度为0.7m/min，单层熔融液凝固后对所得沉积层施加0.007mm的下压量；采用上述工艺进行80层激光熔融沉积和搅拌摩擦加工处理，待最后一层熔融液凝固后即得所述Ni3Al基自润滑材料。
经测试，本实施例所得Ni3Al基自润滑材料的硬度为5.94GPa，相对密度为99.7％。
图4和5分别为本实施例所得Ni3Al基自润滑材料的动态摩擦系数曲线和磨损率测试结果，结果表明所得材料的摩擦系数较小(平均值约0.15)，且摩擦系数波动幅度小，磨损率为5.0×10-5mm3/(Nm)，表现出优良的摩擦学性能。
实施例3
一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料，其制备方法包括如下步骤：
1)以石墨烯粉5.1g、Ag粉20.4g、Ni粉295g和Al粉45g为原料，按配比称取各原料，其中Ni粉与Al粉的摩尔比为3：1，石墨烯粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的1.5％，Ag粉的添加量为Ni粉和Al粉总质量的6.0％；
2)将称取的原料置于振动混料机内进行振动混料，采用的振动频率为50Hz，振动力为8000N，振荡时间为30分钟，将原料充分混合均匀；
3)将高温熔炼炉抽至真空度<0.01MPa，充入惰性保护气体氮气，使环境含氧量<90ppm；将步骤2)所得粉末加入高温熔炼炉中加热至1200℃,保温30min，将粉末熔化为熔融合金液；
4)将所得熔融合金液通过环孔型喷嘴流入雾化装置中(雾化装置中的真空度<0.01MPa，并充入氮气使环境含氧量<90ppm)，接通高压氮气气源，待稳定运行一段时间后，打开放液阀，将步骤3)所得熔融合金液通过环孔型喷嘴流入雾化室中，熔融合金液与通入的气体(氦气)相互作用而被雾化形成流场，雾化装置中氦气的进口压力为5.2MPa，熔融合金液流量1.4kg/min；在流场中，熔融合金液破碎冷凝并固化成球形的金属粉末，冷却至室温后，按粒径范围为60-100μm的要求进行筛分，得石墨烯/Ag/Ni3Al基球形粉末；
5)将所得含石墨烯和Ag的Ni3Al基球形粉末加入激光熔融沉积设备中，采用的激光熔融沉积结合搅拌摩擦加工工艺，其中：激光功率为600W，扫描速率为1.2m/min，送粉率为40g/min，扫描层厚为0.12mm，进行单层激光熔融加工后，采用设置在激光熔融沉积设备内的搅拌头对所得熔融液进行摩擦搅拌加工，摩擦搅拌层厚度为0.18mm，搅拌头的转速为600rpm，搅拌头的水平行进速度为0.8m/min，单层熔融液凝固后对所得沉积层施加0.008mm的下压量；采用上述工艺进行100层激光熔融沉积和搅拌摩擦加工处理，待最后一层熔融液凝固后即得所述Ni3Al基自润滑材料。
经测试，本实施例所得Ni3Al基自润滑材料的硬度为5.70GPa，相对密度为99.4％。
图4和5分别为本实施例所得Ni3Al基自润滑材料的动态摩擦系数曲线和磨损率测试结果，结果表明所得材料的摩擦系数较小(平均值约0.19)，且摩擦系数波动幅度小，磨损率为5.4×10-5mm3/(Nm)，表现出优良的摩擦学性能。
对比例1
一种Ni3Al基复合材料，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于原料中不加Ag粉，所得Ni3Al基复合材料在摩擦磨损测试后得到的磨痕的电子探针照片见图6，图中有明显的裂纹存在。
经测试，本对比例所得Ni3Al基复合材料的摩擦系数和磨损率分别为0.54和9.2×10-5mm3/(Nm)。
对比例2
一种Ni3Al基复合材料，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于步骤5)中不对每层熔融液进行摩擦搅拌加工，所得Ni3Al基复合材料在摩擦磨损测试后得到的磨痕的电子探针照片见图7，图中存在裂纹。
经测试，本对比例所得Ni3Al基复合材料的摩擦系数和磨损率分别为0.46和7.4×10-5mm3/(Nm)。
上述结果表明，本发明所得Ni3Al基自润滑材料的摩擦系数较小，波动幅度小，磨损率低，表现出优异的自润滑和摩擦性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料，它以石墨烯粉、Ag粉、Ni粉和Al粉为原料依次经熔融、喷雾和激光熔融沉积而成。
2.根据权利要求1所述的激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料，其特征在于，所述Ni粉和Al粉的摩尔比为3:1；石墨烯的添加量为Ni粉和Al粉总质量的1.0-1.5％，Ag的添加量为Ni粉和Al粉总质量的4.0-6.0％。
3.权利要求1或2所述激光熔融沉积Ni3Al基自润滑材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)以石墨烯粉、Ag粉、Ni粉和Al粉为原料，将原料混合均匀，并进行高温熔融得熔融合金液；
2)将所得熔融合金液置于雾化装置中进行真空雾化，并冷凝固化得球形的金属粉末，并筛分单颗粒的直径为60-100μm的粉料，得石墨烯/Ag/Ni3Al基球形粉末；
3)将所得石墨烯/Ag/Ni3Al基球形粉末进行激光熔融沉积，即得所述Ni3Al基自润滑材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述激光熔融沉积过程中对所得熔融液进行摩擦搅拌加工。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中采用振动混料方法将原料混合均匀。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述振动混料工艺采用的振动频率为40-50Hz，振动力为8000-10000N，振荡时间为20-30min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高温熔融工艺采用的真空度<0.01MPa，惰性保护气体为氮气，含氧量<90ppm，温度为1000-1200℃，保温时间为20-30min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述真空雾化工艺采用的保护气体为氦气，氦气进口压力为4.8-5.2MPa，熔融合金液流量为1.0-1.4kg/min。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，上述方案中，所述激光熔融沉积工艺采用的激光功率为400-600W，扫描速率为0.8-1.2m/min，送粉率为20-40g/min，扫描层厚为0.10-0.12mm，进行单层激光熔融加工后，采用设置在激光熔融沉积设备内的搅拌头对所得熔融液进行摩擦搅拌加工，摩擦搅拌处理深度0.14-0.18mm，搅拌头的转速为400-600rpm，水平行进速度为0.6-0.8m/min，单层熔融液凝固后施加0.006-0.008mm的下压量。
10.权利要求3～9任一项所述的制备方法制备的Ni3Al基自润滑材料，其特征在于，其摩擦系数平均值为0.15-0.19，磨损率为5.0×10-5-5.4×10-5mm3/(Nm)。
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