CN108823449A - 一种钛铝基自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛铝基自润滑复合材料，由质量百分数占4～12%的硼酸铝粉和余量的钛铝合金粉为原料制备而成，本发明提供的复合材料组织结构均匀、致密，具备高机械硬度和优异润滑减摩耐磨性能；还公开了制备方法，称量硼酸铝粉和钛铝合金粉，置于行星式球磨机中进行湿磨、过筛、真空干燥，得到混合均匀的烧结配料，放入石墨磨具中，氩气真空保护下采用放电等离子烧结制备，得到钛铝基自润滑复合材料，本发明提供的制备方法工艺简单、参数易控，制备过程安全环保，适合大规模工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于金属基自润滑复合材料技术领域，更具体地，涉及一种新型钛铝基自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
汽车、航空、航天和热能工程等高新技术的发展对发动机、涡轮增压器等所用高温结构材料的性能要求越来越高，“更轻、更强、更耐热和更耐磨”已成为新型高温结构材料的发展方向。钛铝合金因具有低密度、高比强度，及高温抗蠕变性好和高温抗氧化能力强等优异性能，被视为最具发展前景的新一代轻质结构材料。然而，钛铝合金存在硬度低、抗磨减摩性能差的缺点，这在一定程度上制约了其的发展应用。
为解决这一技术问题，国内外研究学者通过在钛铝合金中添加Ag、WS2、ZnO、石墨等固体润滑剂制得钛铝基自润滑复合材料，与钛铝合金相比，其抗磨减摩性能有明显改善。然而，传统固体润滑剂通常是以牺牲基体材料强度为代价来改善材料抗磨减摩性能，这种矛盾一定程度上限制了其应用。
因此，如何突破这种矛盾和开发既强化基体材料又具有润滑特性的新型固体润滑材料一直是研究和应用所追求的。
硼酸铝因具有低密度、高熔点、高硬度、高耐腐蚀能力和良好机械强度等优异性能，有望成为一种新型的固体润滑材料，目前已在润滑油领域得以广泛应用。研究表明，润滑油添加硼酸铝后摩擦表面所形成油膜的承载能力、减摩抗磨性能提高。因此，硼酸铝有望成为一种既强化基体材料又具有润滑特性的新型固体润滑剂。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种新型钛铝基自润滑复合材料，该复合材料组织结构均匀、致密，具备高机械硬度和优异润滑减摩耐磨性能。
为解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种钛铝基自润滑复合材料，由质量百分数占4～12%的硼酸铝粉和余量的钛铝合金粉为原料制备而成。
本发明中，所述的硼酸铝粉平均粒径30nm，所述的钛铝合金粉平均粒径25μm。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种新型钛铝基自润滑复合材料的制备方法，该方法工艺简单、参数易控，制备过程安全环保，适合大规模工业化生产。
为解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种钛铝基自润滑复合材料的制备方法，包含如下步骤：
a）按质量百分比称量4～12%的硼酸铝粉和余量的钛铝合金粉，得到原始配料；
b）将上述原始配料置于行星式球磨机中进行湿磨、过筛、真空干燥，得到混合均匀的烧结配料；
c）将上述烧结配料放入石墨磨具中，氩气真空保护下采用放电等离子烧结制备，得到钛铝基自润滑复合材料。
本发明中，所述步骤b）中原始配料的湿磨，球料比为5:1～10:1，球磨转速为100～300r/min，湿磨时间为4～6小时。
本发明中，所述步骤b）中原始配料过筛为不锈钢筛200目。
本发明中，所述步骤b）中原始配料的真空干燥，真空度为0.01～0.02MPa、干燥温度为60～80℃、干燥时间为3～5小时。
本发明中，所述步骤c）中的放电等离子烧结，真空度为0.01～0.1Pa、升温速率为130～150℃/min、烧结温度为1000～1100℃、烧结压强为30～40MPa、烧结时间为5～10min。
本发明的有益效果是：
1、本发明制备的新型钛铝基自润滑复合材料在摩擦过程中能够形成具有高承载能力的润滑膜，具有良好的抗磨减摩性能，在轻质结构材料领域具有广阔的应用前景；
2、新型润滑剂硼酸铝作为增强相和润滑相，即可强化基体材料，又可改善复合材料的润滑减摩耐磨性能；
3、放电等离子烧结工艺简单、参数易控，制备过程安全环保，适合大规模工业化生产；
4、原料来源广泛、对环境无害、成本低，易于推广。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程图。
图2是实施例1制备的钛铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率随滑动速度变化图，摩擦磨损工况条件为：滑动速度0.1～0.7m/s ，温度室温（25～30℃）、载荷10N、时间80min。
图3是实施例1制备的钛铝基自润滑复合材料在滑动速度0.1m/s时磨痕表面形貌图。
图4是实施例1制备的钛铝基自润滑复合材料在滑动速度0.3m/s时磨痕表面形貌图。
图5是实施例1制备的钛铝基自润滑复合材料在滑动速度0.5m/s时磨痕表面形貌图。
图6是实施例1制备的钛铝基自润滑复合材料在滑动速度0.7m/s时磨痕表面形貌图。
图7和图8分别是实施例2制备的钛铝基自润滑复合材料的摩擦系数图和磨痕表面形貌图，摩擦磨损工况条件为：滑动速度0.5m/s ，温度室温（25～30℃）、载荷10N、时间80min。
图9和图10分别是实施例3制备的钛铝基自润滑复合材料的摩擦系数图和磨痕表面形貌图，摩擦磨损工况条件为：滑动速度0.5m/s ，温度室温（25～30℃）、载荷10N、时间80min。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步对本发明加以说明。
本发明提出硼酸铝作为增强相和润滑相与钛铝合金复合制备钛铝基复合材料，这有助于拓展钛铝基自润滑复合材料作为结构材料的应用领域。
所述复合材料以钛铝合金粉和硼酸铝粉为原料制备而成，其中硼酸铝粉质量百分数为4～12%，余量为钛铝合金粉。本发明中，所述硼酸铝作为增强相和润滑相，既能够强化基体材料又能够改善复合材料的润滑减摩耐磨性能。
实施例1：
按硼酸铝粉质量分数为4%和钛铝合金粉质量分数为96%的比例配料，称量硼酸铝粉0.4克和钛铝合金粉9.6克，得到原始配料。
将原始配料置于行星式球磨机中按球料比5:1、转速100r/min、球磨混合4小时后，然后通过200目不锈钢筛进行过筛处理，最后在真空度0.01MPa、干燥温度60℃、干燥3小时，得到混合均匀的烧结配料。
将烧结配料放入石墨磨具中，在真空氩气保护下采用放电等离子烧结，以130℃/min升温速率升至1000℃，加压至30MPa，保温5min后降温冷却，制得新型钛铝基自润滑复合材料。
采用HVS-1000型数显显微维氏硬度仪测试施例1制得新型钛铝基自润滑复合材料的硬度为5.65GPa。
图2是实施例1制得的新型钛铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率曲线图，由图可知该复合材料0.1m/s条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.40和3.85×10-4mm3/(Nm)，0.3m/s条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.36和3.31×10-4mm3/(Nm)，0.5m/s条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.34和2.61×10-4mm3/(Nm)，0.7m/s条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.35和3.08×10-4mm3/(Nm)，表明该复合材料具有良好的抗磨减摩性能。
图3至图6是实施例1制得新型钛铝基自润滑复合材料分别在0.1m/s、0.3m/s、0.5m/s、0.7m/s条件下的磨痕表面形貌图，从图中可观察到磨痕表面较光滑，且已形成具有不同覆盖率的润滑膜，这保证了复合材料具有优异的抗磨减摩性能。
实施例2：
按硼酸铝粉质量分数为8%和钛铝合金粉质量分数为92%的比例配料，称量硼酸铝粉0.8克和钛铝合金粉9.2克，得到原始配料。
将原始配料置于行星式球磨机中按球料比8:1、转速200r/min、球磨混合5小时后，然后通过200目不锈钢筛进行过筛处理，最后在真空度0.015MPa、干燥温度70℃、干燥4小时，得到混合均匀的烧结配料。
将烧结配料放入石墨磨具中，在真空氩气保护下采用放电等离子烧结，以140℃/min升温速率升至1050℃，加压至35MPa，保温8min后降温冷却，制得新型钛铝基自润滑复合材料。
采用HVS-1000型数显显微维氏硬度仪测试施例2制得新型钛铝基自润滑复合材料的硬度为6.01GPa。
图7和图8是实施例2制得新型钛铝基自润滑复合材料0.5m/s条件下的动态摩擦系数图和磨痕表面形貌图。由图7可知该复合材料的摩擦系数为0.34且波动幅度小，从图8中观察到磨痕表面整体光滑且覆盖着一层具有较完整的润滑膜，这表明复合材料具有优异的抗磨减摩性能。
实施例3：
按硼酸铝粉质量分数为12%和钛铝合金粉质量分数为88%的比例配料，称量硼酸铝粉1.2克和钛铝合金粉8.8克，得到原始配料。
将原始配料置于行星式球磨机中按球料比10:1、转速300r/min、球磨混合6小时后，然后通过200目不锈钢筛进行过筛处理，最后在真空度0.02MPa、干燥温度80℃、干燥5小时，得到混合均匀的烧结配料；将烧结配料放入石墨磨具中，在真空氩气保护下采用放电等离子烧结，以150℃/min升温速率升至1100℃，加压至40MPa，保温10min后降温冷却，制得新型钛铝基自润滑复合材料。
采用HVS-1000型数显显微维氏硬度仪测试施例3制得新型钛铝基自润滑复合材料的硬度为6.37GPa。
图9和图10是实施例3制得新型钛铝基自润滑复合材料0.5m/s条件下的动态摩擦系数图和磨痕表面形貌图。由图9可知该复合材料的摩擦系数为0.33且波动幅度小，从图10中观察到磨痕表面整体光滑且覆盖着一层具有较完整的润滑膜，这表明复合材料具有优异的抗磨减摩性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种钛铝基自润滑复合材料，其特征在于：由质量百分数占4～12%的硼酸铝粉和余量的钛铝合金粉为原料制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种钛铝基自润滑复合材料，其特征在于，所述的硼酸铝粉平均粒径30nm，所述的钛铝合金粉平均粒径25μm。
3.一种如权利要求1或2所述的一种钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
a）按质量百分比称量4～12%的硼酸铝粉和余量的钛铝合金粉，得到原始配料；
b）将上述原始配料置于行星式球磨机中进行湿磨、过筛、真空干燥，得到混合均匀的烧结配料；
c）将上述烧结配料放入石墨磨具中，氩气真空保护下采用放电等离子烧结制备，得到钛铝基自润滑复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b）中原始配料的湿磨，球料比为5:1～10:1，球磨转速为100～300r/min，湿磨时间为4～6小时。
5.根据权利要求3所述的一种钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b）中原始配料过筛为不锈钢筛200目。
6.根据权利要求3所述的一种钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b）中原始配料的真空干燥，真空度为0.01～0.02MPa、干燥温度为60～80℃、干燥时间为3～5小时。
7.根据权利要求3所述的一种钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤c）中的放电等离子烧结，真空度为0.01～0.1Pa、升温速率为130～150℃/min、烧结温度为1000～1100℃、烧结压强为30～40MPa、烧结时间为5～10min。
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| CN108823449B (zh) | 2019-12-24 |
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