CN109706370A - 一种原位合成max相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，将NiAl合金粉、Ti、Al、Sn和石墨机械混合后进行合金化处理，以WC球作为混合球，在球磨处理后原位合成Ti₃AlC₂粉末；随后将高能球磨后的粉末置于涂有氮化硼的石墨磨具中；随后进行冷压，对预压后的磨具进行放电等离子烧结，加热方式为脉冲电流，持续保温保压，烧结后的试样在酒精中超声清洗。本发明采用原位合成复合放电等离子烧结解决了增强相与金属基体存在的润湿问题，从而提高复合材料的机械性能；同时工艺操作简单，较大程度降低成本，在提升经济效益和社会效益上拥有巨大的潜力。故此，MAX相三维层状陶瓷增强镍基复合材料因其优异的高温润滑性，具有应用于高温苛刻工况的良好前景。

Description

一种原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法。

背景技术

随着航空、航天、空间技术和军事工业的发展，传统润滑油脂已经难以满足材料在苛刻摩擦、磨损条件环境下的使用要求，迫切需要发展在宽温域内具有良好机械性能和摩擦学性能的高温润滑材料。镍基高温合金拥有服役温度高，结构稳定、抗热力腐蚀和抗氧化能力强等优点，并且在高温下具有优良的机械性能，同时镍表层氧化得到具有优异塑性的NiO层，故此镍基高温润滑材料的具有在摩擦及高温润滑领域具有巨大的应用潜力。国内外相关高温润滑材料主要是通过在基体表面涂覆具有优异润滑性能的涂层而得到，但该系列高温润滑材料仍存在涂层分布不均匀，缩孔、缩松缺陷较多和表面涂层与基体界面结合较差等问题，因此制备出金属润湿性较好，界面结合纯净的固体润滑剂是开发高性能固体润滑剂的关键。本专利通过在镍基体原位生成一种或者多种增强相来增强镍基复合材料，使其综合性能得到很大程度的优化，并且制备工艺操作简单，成分容易调控，对环境无污染。

三元层状陶瓷材料M_n+1AX_n相属于六角层状结构，由于其特殊的结构及化学键，使其兼备陶瓷与金属的优异性能，具备良好抗氧化性、抗热震性，裂纹自愈合性和可加工性；较好的耐磨性和自润滑性高熔点；在高温下具有良好的塑性；更重要的是M与X之间较强的金属键及M与A间金属键和离子键赋予了其具有甚至优于石墨和MoS₂的自润滑性能，因此作为NiAl合金的新型增强相，制备具有优异耐磨损性的镍基复合材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，提高材料的显微硬度和强度，显著降低材料在高温下的摩擦系数和磨损率。

本发明采用以下技术方案：

一种原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，将NiAl合金粉、Ti、Al、Sn和石墨均匀混合，随后进行原位反应合成Ti₃AlC₂相，压制成型后采用SPS放电等离子烧结技术制备成高温润滑复合材料，高温润滑复合材料中NiAl和Ti₃AlC₂相含量分别为60～75％和25～40％。

具体的，按质量百分数计，称取80～120μmNiAl，Ti：Al：Sn：C＝3：1：(0.1～0.3)：(1.7～1.9)。

具体的，Ti纯度为98.5～99.5％，粒径小于40μm，Al纯度为99～99.4％，粒径小于70μm，Sn纯度为99～99.8％，粒径小于45μm，C纯度为99～99.5％，粒径小于45μm。

具体的，将混合均匀的粉末进行合金化处理，以WC球作为混合球，在球磨处理后原位合成Ti₃Al₂C粉末。

具体的，球料比为(5～10):1，球磨时间为30～360min。

具体的，压制成型具体为：将高能球磨后的粉末置于涂有氮化硼的石墨磨具中进行冷压，压力范围为5～15MPa；压强为280～320MPa，保压时间为5～300s。

具体的，磨具直径20～40mm。

具体的，将预压后的磨具放入SPS放电等离子烧结炉中，烧结温度为1200～1400℃，在80～120MPa压力下持续保温保压30～240min，极限真空度为中真空10～100Pa，压力为5～30kN，气冷压强为0.5～1MPa。

具体的，加热方式为脉冲电流，加热功率为15～30KW，额定中频功率为15～25kW，工作电压为10～30V。

具体的，烧结后的试样在酒精中超声清洗20～60min，清除其表面的残留物，得到高温润滑复合材料。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，由于NiAl合金具有优异的耐腐蚀和耐磨损性能，并且具有良好的结合性，因此选择NiAl合金粉为复合材料的基体，Sn元素的增加和C元素摩尔比的降低，可以在较宽的温度范围内或者较低的合成温度合成高纯度的Ti₃AlC₂相，通过原位原位合成镍基复合材料，可以有效地解决外加增强相直接与基体结合所存在的界面问题，从而提高材料的显微硬度和强度，显著降低材料在高温下的摩擦系数和磨损率，复合材料表现出优异的综合性能。

进一步的，NiAl合金粉、Ti、Al、Sn和石墨按特定比例进行称取，Sn与原料的反应延长了反应时间，防止铝的溢出，阻碍了热爆炸，更重要的是减少了合成温度。

进一步的，对原材料和添加剂Sn混合粉进行高能球磨，球磨30～360min，在球磨过程中避免了TiC、Ti₂AlC、Ti₃AlC、Ti₃Al和TiAl的生成，从而合成高纯度Ti₃AlC₂粉末。

进一步的，在涂有氮化硼的石墨磨具中进行冷压，将粉末压制成紧密的整体，进而获得具有一定尺寸规格的φ30块体。

进一步的，采用放电等离子烧结通过调节脉冲直流电大小控制升温速度和烧结温度，抑制了晶粒的长大，具有升温速度快、烧结时间短、烧结温度低、加热均匀、生产效率高、节约能源，实现材料的超快速致密化烧结。

进一步的，在酒精中超声波清洗可大大提高试样表面的洁净度，且清洗速度快、工效高。

综上所述，本发明采用机械合金化复合SPS放电等离子烧结技术制备NiAl复合高温润滑材料，在复合材料中原位合成自润滑性能优于石墨和MoS₂的Ti₃AlC₂相，同时NiAl基体具有优异的耐磨损性能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为实施例1所制备的NiAl基复合材料低倍显微组织；

图2为实施例1所制备的NiAl基复合材料高倍显微组织。

具体实施方式

本发明提供了一种原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，先自制备出NiAl合金粉作为基体材料，通过原位原位合成镍基复合材料，可以有效地解决外加增强相直接与基体结合所存在的界面问题，从而提高材料的显微硬度和强度，显著降低材料在高温下的摩擦系数和磨损率，复合材料表现出优异的综合性能。

本发明一种原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，先对一定比例的NiAl合金粉、Ti、Al、Sn和石墨均匀混合，随后在高能球磨机上进行原位反应合成Ti₃AlC₂相，原位合成的MAX相改善了NiAl基体材料的自润滑性能，最后采用SPS放电等离子烧结技术制备高温润滑复合材料，高温润滑复合材料中NiAl和Ti₃AlC₂相含量分别为60～75％和25～40％，具体步骤如下：

S1、混粉

按质量分数计，称取100μmNiAl为60～75％，Ti：Al：Sn：C＝3:1:0.1:1.9，Ti纯度为99％，粒径小于40μm，Al纯度为99.4％，粒径小于70μm，Sn纯度为99.5％，粒径小于45μm，C纯度为99.5％，粒径小于45μm，在三维混粉仪上混合均匀；

S2、机械合金化；

将混合均匀的粉末置于高能球磨机上进行合金化处理，球料比为(5～10):1，WC球作为混合球，球磨时间为30～360min，在球磨处理后原位合成Ti₃AlC₂粉末；

S3、压制成型；

将高能球磨后的粉末置于涂有氮化硼的石墨磨具中，磨具直径20～40mm，随后进行冷压，压力范围为5～15MPa；压强为280～320MPa，保压时间为5～300s；

S4、放电等离子烧结；

对预压后的磨具进行放电等离子烧结，通过对NiAl基复合材料组织和力学性能的测试来确定烧结工艺。

将预压后的磨具放入SPS放电等离子烧结炉中进行放电等离子烧结，加热方式为脉冲电流，烧结温度为1200～1400℃，在80～120MPa压力下持续保温保压30～240min，极限真空度为中真空10～100Pa，加热功率为15～30KW，额定中频功率为15～25kW，工作电压为10～30V，压力为5～30kN，气冷压强为0.5～1MPa，烧结后的试样在酒精中超声清洗20～60min，清除其表面的残留物。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

按比例NiAl和Ti₃AlC₂相含量分别为75％和25％，Ti₃AlC₂相成分设计中不同元素的摩尔比为Ti：Al：Sn：C＝3:1:0.1:1.7，称取80μm NiAl合金粉、Ti、Al、Sn和石墨，在三维混粉机上机械混合；将混合均匀的粉末置于高能球磨机上进行合金化处理，球料比为5:1，WC球作为混合球，球磨30min，在球磨处理后原位合成Ti₃AlC粉末；随后将高能球磨后的粉末置于涂有氮化硼的石墨磨具中，磨具直径20mm，压力为5MPa，压强280MPa，保压时间5s；随后进行冷压，对预压后的磨具进行放电等离子烧结，极限真空度为中真空10Pa，加热功率为15KW，额定中频功率为15kW，工作电压为10V，压力为5kN，气冷压强为0.5MPa，加热方式为脉冲电流，烧结温度为1200℃，80MPa压力下持续保温保压30min，烧结后的试样在酒精中超声清洗20min，清除其表面残留物，在UMT高温摩擦试验机上测试复合材料的摩擦学性能，测得复合材料在800℃的磨损率为9.6×10^-5mm³/N.m，摩擦系数为0.28，如图1和图2所示。

实施例2

按比例NiAl和Ti₃AlC₂相含量分别为70％和30％，Ti₃AlC₂相成分设计中不同元素的摩尔比为Ti：Al：Sn：C＝3:1:0.2:1.8，称取100μm NiAl合金粉、Ti、Al、Sn和石墨，在三维混粉机上机械混合；将混合均匀的粉末置于高能球磨机上进行合金化处理，球料比为8:1，WC球作为混合球，球磨200min，在球磨处理后原位合成Ti₃AlC₂粉末；随后将高能球磨后的粉末置于涂有氮化硼的石墨磨具中，磨具直径30mm，压力为10MPa，压强为300MPa，保压时间为180s；随后进行冷压，对预压后的磨具进行放电等离子烧结，极限真空度为中真空80Pa，加热功率为20KW，额定中频功率为20kW，工作电压为20V，压力为20kN，气冷压强为0.7MPa，加热方式为脉冲电流，烧结温度为1300℃，100MPa压力下持续保温保压140min，烧结后的试样在酒精中超声清洗40min，清除其表面残留物，在UMT高温摩擦试验机上测试复合材料的摩擦学性能，测得复合材料在800℃的磨损率为8.5×10^-5mm³/N.m，摩擦系数为0.25。

实施例3

按比例NiAl和Ti₃AlC₂相含量分别为60％和40％，Ti₃AlC₂相成分设计中不同元素的摩尔比为Ti：Al：Sn：C＝3:1:0.3:1.9，称取120μm NiAl合金粉、Ti、Al、Sn和石墨，在三维混粉机上机械混合；将混合均匀的粉末置于高能球磨机上进行合金化处理，球料比为10:1，WC球作为混合球，球磨360min，在球磨处理后原位合成Ti₃AlC₂粉末；随后将高能球磨后的粉末置于涂有氮化硼的石墨磨具中，磨具直径40mm，压力15MPa，压强320MPa，保压时间300s；随后进行冷压，对预压后的磨具进行放电等离子烧结，极限真空度为中真空100Pa，加热功率为30KW，额定中频功率为25kW，工作电压为30V，压力为30kN，气冷压强为1MPa，加热方式为脉冲电流，烧结温度为1400℃，120MPa压力下持续保温保压240min，烧结后的试样在酒精中超声清洗30min，清除其表面残留物，在UMT高温摩擦试验机上测试复合材料的摩擦学性能，测得复合材料在800℃的磨损率为7.2×10^-5mm³/N.m，摩擦系数为0.23。

实施例4

按比例NiAl和Ti₃AlC₂相含量分别为65％和35％，Ti₃AlC₂相成分设计中不同元素的摩尔比为Ti：Al：Sn：C＝3:1:0.1:1.8，称取90μm NiAl合金粉、Ti、Al、Sn和石墨，在三维混粉机上机械混合；将混合均匀的粉末置于高能球磨机上进行合金化处理，球料比为7:1，WC球作为混合球，球磨120min，在球磨处理后原位合成Ti₃AlC₂粉末；随后将高能球磨后的粉末置于涂有氮化硼的石墨磨具中，磨具直径25mm，压力为8MPa，压强290MPa，保压时间为100s；随后进行冷压，对预压后的磨具进行放电等离子烧结，极限真空度为中真空30Pa，加热功率为22KW，额定中频功率为21kW，工作电压为24V，压力为20kN，气冷压强为0.9MPa，加热方式为脉冲电流，烧结温度为1350℃，90MPa压力下持续保温保压60min，烧结后的试样在酒精中超声清洗30min，清除其表面残留物，在UMT高温摩擦试验机上测试复合材料的摩擦学性能，测得复合材料在800℃的磨损率为5.4×10^-5mm³/N.m，摩擦系数为0.19，获得优异的摩擦学性能。

通过对比四个实施例可知，随着Ti₃AlC₂含量在一定范围的增加，制备的复合材料的强度增加，且摩擦系数和磨损率均降低，耐磨性能有所改善，在Ti₃AlC₂含量为35％时，获得优异的综合性能。与其他高温材料相比，由于“自适应”效果，因此本发明材料具有良好的自润滑性能。为解决我国高新技术领域高温运动部件润滑与耐磨问题提供科学依据与技术支撑。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，将NiAl合金粉、Ti、Al、Sn和石墨均匀混合，随后进行原位反应合成Ti₃AlC₂相，压制成型后采用SPS放电等离子烧结技术制备成高温润滑复合材料，高温润滑复合材料中NiAl和Ti₃AlC₂相含量分别为60～75％和25～40％。

2.根据权利要求1所述的原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，按质量百分数计，称取80～120μmNiAl，Ti：Al：Sn：C＝3：1：(0.1～0.3)：(1.7～1.9)。

3.根据权利要求2所述的原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，Ti纯度为98.5～99.5％，粒径小于40μm，Al纯度为99～99.4％，粒径小于70μm，Sn纯度为99～99.8％，粒径小于45μm，C纯度为99～99.5％，粒径小于45μm。

4.根据权利要求1所述的原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，将混合均匀的粉末进行合金化处理，以WC球作为混合球，在球磨处理后原位合成Ti₃Al₂C粉末。

5.根据权利要求4所述的原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，球料比为(5～10):1，球磨时间为30～360min。

6.根据权利要求1所述的原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，压制成型具体为：将高能球磨后的粉末置于涂有氮化硼的石墨磨具中进行冷压，压力范围为5～15MPa；压强为280～320MPa，保压时间为5～300s。

7.根据权利要求6所述的原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，磨具直径20～40mm。

8.根据权利要求1所述的原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，将预压后的磨具放入SPS放电等离子烧结炉中，烧结温度为1200～1400℃，在80～120MPa压力下持续保温保压30～240min，极限真空度为中真空10～100Pa，压力为5～30kN，气冷压强为0.5～1MPa。

9.根据权利要求8所述的原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，加热方式为脉冲电流，加热功率为15～30KW，额定中频功率为15～25kW，工作电压为10～30V。

10.根据权利要求1所述的原位合成MAX相增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，烧结后的试样在酒精中超声清洗20～60min，清除其表面的残留物，得到高温润滑复合材料。