CN110218890B - 原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料制备方法，将NiCr、Mo和Bi₂O₃/TiO₂混合，加入乙醇进行球磨处理，然后筛粉并烘干；将烘干处理的混合粉末装入石墨磨具中进行冷压成型处理；最后进行真空热压烧结，制成纳米结构NiCr‑Mo‑Bi₂O₃/TiO₂复合材料，纳米结构NiCr‑Mo‑Bi₂O₃/TiO₂复合材料的显微硬度为480～510HV，抗压强度为1300～1500MPa。本发明制备的高温润滑复合材料有效改善了金属氧化物与NiCr基体之间的润湿性，提高了金属氧化物与基体之间的结合强度。Mo具有固溶强化的作用，可进一步提高复合材料的强度。加入的Bi₂O₃与TiO₂在高温烧结过程中可以发生反应生成Bi₄Ti₃O₁₂高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能。复合材料中细小的纳米颗粒具有细晶强化的作用，可有效提高了复合材料的强度。

Description

原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料制备方法

技术领域

本发明属于高温润滑复合材料技术领域，具体涉及一种原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料制备方法。

背景技术

航空航天、核工业等高新技术产业的快速发展，对极端苛刻工况(高温、高载、高速等)条件下服役材料的摩擦磨损性能提出了更高的要求，如：耐更高温度、润滑及耐磨，相关运动部件在苛刻条件下的耐磨与润滑问题已成为影响整个装备运行的可靠性和寿命的技术关键。因此，迫切需要运用材料学的基础知识构筑更高温度条件下高强高温润滑复合材料，以满足我国航空航天、核工业等高新技术产业的发展需求。

镍基高温合金具有优异的高温强度、抗高温氧化和抗腐蚀能力，主要作为高温润滑材料的基体材料使用，目前已成功使用在现代航空发动机和工业燃气轮机等设备上。Mo有固溶强化的作用，加入基体材料中可有效提高材料的强度。金属氧化物具有高熔点、高硬度、高耐磨性及耐氧化等优点，可以在高温条件下长期使用。同时也是一种优异的高温固体润滑剂。但金属氧化物一般与金属的润湿性较差，加入金属基体中制备的复合材料的强度一般较低，这会严重影响复合材料的应用。

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，提供一种原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料制备方法，利用Bi₂O₃和TiO₂在烧结过程中的原位反应，生成Bi₄Ti₃O₁₂高温润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善金属氧化物与基体之间润湿性差的问题，提高复合材料的强度。同时复合材料中的纳米颗粒具有细晶强化的作用，可进一步提高复合材料的强度。

本发明采用以下技术方案：

原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料制备方法，将NiCr、Mo和Bi₂O₃/TiO₂混合，加入乙醇进行球磨处理，然后筛粉并烘干；将烘干处理的混合粉末装入石墨磨具中进行冷压成型处理；最后进行真空热压烧结，制成纳米结构NiCr-Mo-Bi₂O₃/TiO₂复合材料，纳米结构NiCr-Mo-Bi₂O₃/TiO₂复合材料的显微硬度为480～510HV，抗压强度为1300～1500MPa。

具体的，按质量百分数计，NiCr为60～80％，Mo为5～15％，Bi₂O₃/TiO₂为15～25％。

进一步的，Ni与Cr的质量比为4:1。

进一步的，Bi₂O₃与TiO₂的摩尔比为2:3。

具体的，球磨处理中，球料质量比为(5～15):1，转速为200～300r/min，球磨时间为10～20h。

进一步的，筛粉制得粒径15～45nm的混合粉末。

具体的，烘干处理的温度为80～100℃，时间为1～2h。

具体的，冷压处理的压强为5～15MPa。

具体的，真空热压烧结中，真空度为1.5×10^-2Pa～3.5×10^-2Pa，烧结温度为1200～1400℃，升温速度为5～20℃/min，保温时间为1～3h，压强为10～30MPa。

具体的，纳米结构NiCr-Mo-Bi₂O₃/TiO₂复合材料在800℃的摩擦系数为0.28，磨损率为2.3×10^-5mm³/Nm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料的制备方法，采用真空热压烧结技术制备纳米结构NiCr-Mo-Bi₂O₃/TiO₂复合材料，不仅改善了NiCr-Mo-Bi₂O₃/TiO₂复合材料的组织结构，提高了复合材料的硬度，实现了复合材料的高温润滑性能，而且有效提高了复合材料的强度，在NiCr基体中添加的Mo可以固溶于基体中，具有固溶强化的作用，有效提高复合材料的强度。添加的Bi₂O₃与TiO₂可以在高温烧结过程中发生反应生成Bi₄Ti₃O₁₂高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善金属氧化物与NiCr基体之间的润湿性，进而提高复合材料的强度。

进一步的，原料粉末按质量分数计算，NiCr为60～80％(Ni与Cr的质量比为4:1)，Mo为5～15％，Bi₂O₃/TiO₂为15～25％，Bi₂O₃与TiO₂的摩尔比为2:3；与传统同类型复合材料相比，可获得高强高温润滑复合材料。

进一步的，通过高能球磨，制备的混合粉末的粒径为15～45nm，一方面高能球磨可以使粉末混合均匀，可以保证复合材料组织均匀；另一方面细小的纳米颗粒具有细晶强化的作用，可以有效提高复合材料的强度。

进一步的，本发明先将混合均匀的粉末在冷压机上冷压处理，可以使粉末热压烧结前先简单成型，同时排除粉末中的气体。

进一步的，本发明所采用的真空热压烧结技术，一方面可以防止在烧结过程中材料的氧化；另一方面制备出的复合材料组织结构比较致密，强度比较高。

综上所述，本发明采用真空热压烧结技术制备出了一种原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料。与其它金属氧化物增强金属基高温润滑复合材料相比，该发明制备的高温润滑复合材料有效改善了金属氧化物与NiCr基体之间的润湿性，提高了金属氧化物与基体之间的结合强度。Mo具有固溶强化的作用，可进一步提高复合材料的强度。加入的Bi₂O₃与TiO₂在高温烧结过程中可以发生反应生成Bi₄Ti₃O₁₂高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能。同时，复合材料中细小的纳米颗粒具有细晶强化的作用，可有效提高了复合材料的强度，成功制备了一种纳米结构高强高温润滑复合材料。

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为复合材料的组织结构；

图2为复合材料的压缩曲线；

图3为复合材料的摩擦曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料制备方法，采用高能球磨的方法制备了纳米结构混合均匀的混合粉末，然后采用冷压处理及真空热压烧结技术制备了纳米结构NiCr-Mo-Bi₂O₃/TiO₂复合材料，有效改善了金属氧化物与NiCr基体之间润湿性较差的问题，显著提高了复合材料的抗压强度。Bi₂O₃与TiO₂可以在高温烧结过程中发生原位反应生成Bi₄Ti₃O₁₂高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能。复合材料显微硬度高达480～510HV，抗压强度为1300～1500MPa，在800℃高温条件下的摩擦系数为0.28，磨损率为2.3×10^-5mm³/Nm，成功制备出了一种高强高温润滑复合材料，本发明利用细晶强化理论、Mo的固溶强化理论及Bi₂O₃与TiO₂在高温烧结过程中的原位反应，实现了复合材料的高强及高温润滑性能，同时有效改善了金属氧化物与NiCr基体之间的润湿性及复合材料的组织结构，有效提高了金属氧化物与NiCr基体之间的结合强度，显著提高了复合材料的抗压强度，实现复合材料的高强及高温润滑性能。

本发明一种原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料制备方法，通过高能球磨制备混合均匀的纳米结构混合粉末，成功制备了各物相分布均匀的纳米结构复合材料，利用Bi₂O₃与TiO₂在高温烧结过程中发生原位反应生成Bi₄Ti₃O₁₂高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能，同时，有效改善了金属氧化物与NiCr基体之间润湿性较差的问题，显著提高了复合材料的显微硬度和抗压强度，同时实现了复合材料高强及高温润滑的性能。具体步骤如下：

S1、混合粉末配比及球磨

按复合材料的成分设计比例称取粉末，按质量百分数计算，NiCr为60～80％(Ni与Cr的质量比为4:1)，Mo为5～15％，Bi₂O₃/TiO₂为15～25％，其中Bi₂O₃与TiO₂的摩尔比为2:3；

将称好的混合粉末放在二氧化锆球磨罐中，加入一定量的乙醇，在高能球磨机上进行球磨；

球磨工艺为：球料质量比为(5～15):1，转速200～300r/min，球磨时间为10～20h，球磨结束后，筛粉并进行烘干处理；

S2、冷压成型

首先将球磨混合好的粉末装入石墨磨具中，然后在冷压机上进行冷压处理，对粉末进行冷压成型。冷压处理的压强为5～15MPa。

S3、真空热压烧结

将冷压处理后的粉末在真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，真空热压烧结炉的真空度为1.5×10^-2Pa～3.5×10^-2Pa，烧结温度为1200～1400℃，升温速度为5～20℃/min，保温时间为1～3h，压强为10～30MPa，获得组织致密均匀，显微硬度高、强度高的高温润滑复合材料。

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

采用高能球磨的方法制备混合均匀的纳米结构混合粉末。按质量百分数计，将60％的NiCr为，15％的Mo为，25％的Bi₂O₃/TiO₂粉末放入二氧化锆球磨罐中进行高能球磨，控制球料质量比为5:1，转速为200r/min，球磨时间为10h，烘干处理的温度为80℃，时间为1h，制备混合均匀的纳米结构混合粉末，粒径为15nm，然后将混合好的粉末装入石墨磨具中。

装粉之前，石墨磨具壁上先铺一层石墨纸，防止粉末在烧结过程中与石墨磨具粘接在一起。混合均匀的纳米结构混合粉末具有细晶强化的作用，可有效提高复合材料的强度。复合材料中添加的Bi₂O₃/TiO₂双金属氧化物一方面可有效提高复合材料的强度；另一方面在烧结过程中可以发生原位反应生成Bi₄Ti₃O₁₂高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善金属氧化物与NiCr基体之间润湿性差的问题，有效提高复合材料的强度。

冷压处理的压强为5MPa，真空度为1.5×10^-2Pa，烧结温度为1200℃，升温速度为5℃/min，保温时间为1h，压强为10MPa。

制备的复合材料中各物相分布比较均匀，如图1所示。添加Mo后，复合材料的显微硬度由269.6HV升高为368.9HV，添加双金属氧化物Bi₂O₃/TiO₂后，显微硬度升高为495.6HV。与同类高温润滑复合材料相比，制备的复合材料显微硬度显著升高，抗压强度为1300MPa。

实施例2

采用高能球磨的方法制备混合均匀的纳米结构混合粉末。按质量百分数计，将70％的NiCr为，10％的Mo为，20％的Bi₂O₃/TiO₂粉末放入二氧化锆球磨罐中进行高能球磨，控制球料质量比为10:1，转速为250r/min，球磨时间为15h，烘干处理的温度为90℃，时间为1.5h，制备混合均匀的纳米结构混合粉末，粒径为30nm，然后将混合好的粉末装入石墨磨具中。

装粉之前，石墨磨具壁上先铺一层石墨纸，防止粉末在烧结过程中与石墨磨具粘接在一起。混合均匀的纳米结构混合粉末具有细晶强化的作用，可有效提高复合材料的强度。复合材料中添加的Bi₂O₃/TiO₂双金属氧化物一方面可有效提高复合材料的强度；另一方面在烧结过程中可以发生原位反应生成Bi₄Ti₃O₁₂高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善金属氧化物与NiCr基体之间润湿性差的问题，有效提高复合材料的强度。

冷压处理的压强为10MPa，真空度为2.5×10^-2Pa，烧结温度为1300℃，升温速度为15℃/min，保温时间为2h，压强为20MPa。

制备的复合材料中各物相分布比较均匀。显微硬度升高为480HV。与同类高温润滑复合材料相比，制备的复合材料显微硬度显著升高，抗压强度为1400MPa。

实施例3

采用高能球磨的方法制备混合均匀的纳米结构混合粉末。按质量百分数计，将80％的NiCr为，5％的Mo为，15％的Bi₂O₃/TiO₂粉末放入二氧化锆球磨罐中进行高能球磨，控制球料质量比为15:1，转速为300r/min，球磨时间为20h，烘干处理的温度为100℃，时间为2h，制备混合均匀的纳米结构混合粉末，粒径为45nm，然后将混合好的粉末装入石墨磨具中。

装粉之前，石墨磨具壁上先铺一层石墨纸，防止粉末在烧结过程中与石墨磨具粘接在一起。混合均匀的纳米结构混合粉末具有细晶强化的作用，可有效提高复合材料的强度。复合材料中添加的Bi₂O₃/TiO₂双金属氧化物一方面可有效提高复合材料的强度；另一方面在烧结过程中可以发生原位反应生成Bi₄Ti₃O₁₂高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善金属氧化物与NiCr基体之间润湿性差的问题，有效提高复合材料的强度。

冷压处理的压强为15MPa，真空度为3.5×10^-2Pa，烧结温度为1400℃，升温速度为20℃/min，保温时间为3h，压强为30MPa。

制备的复合材料中各物相分布比较均匀。显微硬度升高为510HV。与同类高温润滑复合材料相比，制备的复合材料显微硬度显著升高，抗压强度为1500MPa。

实施例4

对实施例1制备的复合材料切割为压缩试样，试样尺寸为

压缩试验在万能试验机上进行，为了保证试验数据的稳定可靠，试验重复5次。压缩试验过程中的压缩速度为0.05mm/s。Mo元素具有固溶强化作用，添加后复合材料的抗压强度由980MPa提高至1086MPa。双金属氧化物Bi₂O₃/TiO₂的添加可进一步提高复合材料的抗压强度，复合材料的抗压强度达到1416MPa，如图2所示。

实施例5

对实施例1制备的复合材料切割为高温摩擦试样，试样尺寸为

高温摩擦试验在UMT高温摩擦试验机上进行，摩擦试验采用球-盘式，球选用熔点高、高温稳定性好的Al₂O₃，摩擦测试温度为800℃，半径为5mm，转速为200r/min，摩擦测试时间为1h。

Bi₂O₃与TiO₂在高温烧结过程中可以发生原位反应生成Bi₄Ti₃O₁₂高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能。

试验测得复合材料在800℃高温条件下的摩擦系数为0.28，磨损率为2.3×10^{- 5}mm³/Nm，较NiCr及NiCr-Mo材料有了明显降低，如图3所示。与同类高温润滑复合材料相比，制备复合材料在高温条件下的摩擦系数和磨损率均较低，表现出优异的高温润滑性能。

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 (11)

1.原位生长固体润滑剂增强镍基高温润滑复合材料制备方法，其特征在于，将NiCr、Mo和Bi₂O₃/TiO₂混合，加入乙醇进行球磨处理，然后筛粉并烘干；将烘干处理的混合粉末装入石墨磨具中进行冷压成型处理；最后进行真空热压烧结，制成纳米结构NiCr-Mo-Bi₂O₃/TiO₂复合材料，纳米结构NiCr-Mo-Bi₂O₃/TiO₂复合材料的显微硬度为480～510HV，抗压强度为1300～1500MPa。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按质量百分数计，NiCr为60～80％，Mo为5～15％，Bi₂O₃/TiO₂为15～25％。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，Ni与Cr的质量比为4:1。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，Bi₂O₃与TiO₂的摩尔比为2:3。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，球磨处理中，球料质量比为(5～15):1，转速为200～300r/min，球磨时间为10～20h。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，筛粉制得粒径15～45nm的混合粉末。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，筛粉制得粒径15～45nm的混合粉末。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，烘干处理的温度为80～100℃，时间为1～2h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，冷压处理的压强为5～15MPa。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，真空热压烧结中，真空度为1.5×10^{- 2}Pa～3.5×10^-2Pa，烧结温度为1200～1400℃，升温速度为5～20℃/min，保温时间为1～3h，压强为10～30MPa。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的制备方法，其特征在于，纳米结构NiCr-Mo-Bi₂O₃/TiO₂复合材料在800℃的摩擦系数为0.28，磨损率为2.3×10^-5mm³/Nm。

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