CN110565026A - 一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种Ti3AlC2‑Fe合金基耐高温自润滑复合材料及其制备方法，属于润滑材料领域。该复合材料是通过将原料混料后烧结制得，其中原料按质量百分比计为：Ti3AlC25‑50％，其余为Fe合金；该Fe合金按质量百分比计为：Cu粉1‑15％、Ni粉0.1‑5％％、Cr粉0.5‑5％，其余为Fe粉。这种Ti3AlC2‑Fe合金基耐高温自润滑复合材料，不但具有耐疲劳、耐冲击、耐高温、承载能力强等优点，而且能够实现自润滑性能，降低摩擦系数，高温状况下自润滑性能更为优异，适用于制作恶劣工况下的自润滑材料。
Description
技术领域
本发明涉及润滑材料领域，具体而言，涉及一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术
普通Fe基润滑材料虽然廉价，具有耐疲劳、耐冲击、承载能力强等优异力学性能，但高温摩擦磨损性能始终限制其使用。
刘可心等人采用Ti3AlC2作为增强相添加到金属Al中，采用放电等离子烧结技术(SPS)制备出Ti3AlC2/Al复合材料，研究烧结温度对复合材料的相对密度、硬度和摩擦因数的影响。结果表明：随烧结温度的增加，复合材料的相对密度和硬度也随之增加，当烧结温度为550℃，复合材料的相对密度和硬度分别为97％和180HV；复合材料的摩擦因数随烧结温度升高而逐渐变小，当烧结温度为500℃，摩擦因数达到最低值，约为0.18，烧结温度继续升高，摩擦因数反而变大；除此之外，赵亮华探索了Ti3AlC2/Fe复合材料的制备工艺及性能研究，研究结果表明：以Fe及Ti3AlC2粉体为原料，在1100-1400℃/保温30-120min,组分为(10-30vol.％)Ti3AlC2/Fe进行无压/热压烧结可得到致密的Ti3AlC2/Fe块体复合材料。热压烧结制备的Ti3AlC2/Fe复合材料的各项性能相比无压烧结都得到了很大的提高。其中20％Ti3AlC2/Fe的弯曲强度从190.16MPa上升到1425.98MPa，密度从6.028g/cm3上升到7.134g/cm3。这是因为热压烧结极大程度的降低了复合材料的气孔率，并使Ti3AlC2与Fe的反应更加充分。所以Ti3AlC2/Fe复合材料的各项力学性能得到了大幅度的提升。陈霖等人以Ti3AlC2粉和还原铁粉为原料，在1300℃/30MPa/保温30min的热压条件下制得Ti3AlC2/Fe复合材料，并研究了其组成及相关力学特性。结果表明：Ti3AlC2/Fe复合材料具有致密度高、组织均匀、增强相颗粒尺寸细小且分布较均匀等优点。经过热压烧结，Ti3AlC2会分解生成TiCx。由于TiCx的增强作用，使得Fe基复合材料具有高的抗弯强度，在20vol％Ti3AlC2含量时达到最高的1091MPa,并保持了良好的延展性。复合材料在800℃热震之后，除30vol％Ti3AlC2/Fe之外其他试样强度基本不变或略有升高，并且热震前后材料的断裂方式基本不变，表现出良好的抗热震特性。
随着工业科技快速发展，铁基金属材料广泛应用于航空航天、重型工程机械等项目中。当铁基金属材料应用于滑动轴承时，磨损较为严重，存在很大弊端。目前相关研究有应用Ti3AlC2与Fe单质粉复合材料在轻载状态下研究其摩擦磨损性能，陈路路采用Fe单质粉末与Ti3AlC2在1400℃温度下制备形成的TiCx-Fe复合材料，轻载状态下复合材料常温状态下摩擦润滑性能，其常温状态下摩擦系数在0.36-0.45之间。本专利主要关注之前研究者并未关注Ti3AlC2-Fe复合材料的高温摩擦磨损性能。鉴于此，本发明提供一种适用于高温重载工况下的铁基自润滑复合材料作为滑动轴承材料，改善纯铁基材料磨损严重状况，对工业发展具有实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料及其制备方法，该复合材料能够实现自润滑性能，降低摩擦系数，高温状况下自润滑性能更为优异，适用于制作恶劣工况下重载机械的自润滑材料。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，所述复合材料是通过将原料混料后烧结制得，所述原料按质量百分比计为：Ti3AlC25-50％，其余为Fe合金；
所述Fe合金按质量百分比计为：Cu粉1-15％、Ni粉0.1-5％％、Cr粉0.5-5％，其余为Fe粉。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述Ti3AlC2粉的粒度为30-200目。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述Cu粉为200-500目，所述Ni粉为1-5μm、所述Cr粉为200-500目、所述Fe粉的粒度为200-500目。
一种如权利要求1-3中任一项所述的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料的制备方法，其包括：
在氩气氛围下，将Cu、Ni、Cr和Fe粉末混合，并添加分散剂，进行球磨混合均匀，得到Fe合金粉末；
在氩气氛围下，将所述Fe合金粉末与所述Ti3AlC2混合，并添加分散剂，进行球磨混合均匀，球、料质量比为3-10:1，球磨机转速为200-400r/min，球磨时间为1-3h，正反转交替运行，每40-60min交替一次，得到Ti3AlC2-Fe合金混合粉末；以及
对干燥后所述TiAl-TiCX-Ti3AlC2混合粉末进行预压成型，压力为2-500Mpa，保压时间为10-30s，得到预压粉末并进行干燥；随后对所述预压粉末进行于900-1300℃下进行烧结，随炉冷却。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，对所述预压粉末进行烧结的方式为放电等离子体烧结，烧结压力为20-50MPa，真空度为10-200Pa，升温速率为60-100℃/min，保温10-50min。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，对所述预压粉末进行烧结的方式为热压真空-保护气氛烧结，烧结压力为20-130MPa，炉温400℃前真空度为10-40Pa，炉温400℃之后，通入保护气氛，烧结温度900-1300℃，保温10-90min，升温速率10-50℃/min。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，制备所述Fe合金粉末的球磨工艺中，球料比为4-10:1，转速为250-400r/min，球磨时间为1-5h，正反转交替运行，每40-60min交替一次。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述分散剂为水或乙醇水混合溶液，分散剂的添加量为每100g混合粉末中加入4-6mL。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括对采用放电等离子体烧结工艺得到的毛胚进行表面磨削、去毛刺处理的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本申请提供的这种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，采用Fe合金作为基体，添加Cr，可改善Fe合金的强度；添加Ni和Cu可改善Fe合金的韧性，同时，以Ti3AlC2作为润滑相丰富润滑机制，有利于降低纯Fe基材料的摩擦系数和磨损率。采用放电等离子烧结，所得到的复合材料的力学性能好，且烧结速度快，可以降低烧结过程中Ti3AlC2反应分解的程度，提升复合材料的润滑性能。
这种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，不但具有耐疲劳、耐冲击、耐高温、承载能力强等优点，而且能够实现自润滑性能，摩擦系数低，高温状况下自润滑性能更为优异，适用于制作高温等恶劣工况下的自润滑材料。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：
实施例1
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为40目的5％Ti3AlC2，其余为粒度大于150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为30MPa，真空度80Pa，加热到900℃，保温50min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例2
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的10％Ti3AlC2，其余为粒度大于150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为20MPa，真空度200Pa，加热到1100℃，保温15min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例3
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为30目的15％Ti3AlC2，其余为粒度大于150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、2％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为30MPa，真空度10Pa，加热到1250℃，保温15min，升温速率为80℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例4
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为140目的15％Ti3AlC2，其余为粒度大于300目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、2％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为30MPa，真空度40Pa，加热到1050℃，保温10min，升温速率为100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例5
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的20％Ti3AlC2，其余为粒度大于200目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为30MPa，真空度40Pa，加热到1000℃，保温10min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例6
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为200目的20％Ti3AlC2，其余为粒度大于150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、0.5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为40MPa，真空度10Pa，加热到1150℃，保温20min，升温速率为80℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例7
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为150目的25％Ti3AlC2，其余为粒度大于300目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、0.5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为,400r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为40MPa，真空度20Pa，加热到1050℃，保温12min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例8
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为350目的25％Ti3AlC2，其余为粒度大于150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、5％Ni粉、0.5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为40MPa，真空度40Pa，加热到1050℃，保温17min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例9
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的30％Ti3AlC2，其余为粒度大于300目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为40MPa，真空度10Pa，加热到1050℃，保温25min，升温速率为100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例10
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为60目的35％Ti3AlC2，其余为粒度大于200目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为40MPa，真空度10Pa，加热到1000℃，保温18min，升温速率为80℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例11
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为80目的40％Ti3AlC2，其余为粒度大于300目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为50MPa，真空度10Pa，加热到1150℃，保温5min，升温速率为100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例12
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的45％Ti3AlC2，其余为粒度大于300目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为50MPa，真空度10Pa，加热到1300℃，保温5min，升温速率为100℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例13
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的30％Ti3AlC2，其余为粒度大于200目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行SPS烧结，压力为50MPa，真空度40Pa，加热到1150℃，保温15min，升温速率为80℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例1-13均是采用SPS烧结，将实施例1-13提供的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料进行性能测试，其中，各复合材料的摩擦系数和磨损量是在300N载荷下测定的，结果如表1所示：
表1上述实施例制得Ti3AlC2-Fe合金基自润滑复合材料的性能
根据以上实施例结果可知，伴随着Ti3AlC2含量的增加(实施例1-10)，所制备的复合材料的抗摩擦磨损性能会逐步提升，但是当Ti3AlC2含量超过35vol.％以上时(实施例11、12)，抗磨损性能会开始减弱；伴随着Ti3AlC2颗粒度的细化，材料的摩擦磨损性能会逐步提升，但是在粒度超过120目以上时(实施例6-8)，润滑性能逐渐减弱，耐磨性能会逐渐提升；伴随着烧结温度的提升，复合材料的摩擦磨损性能会产生提升，但超过1150℃以上时(实施例3、12)，材料的润滑性能开始减弱，耐磨性能逐渐提升。此外，实施例1-13中提供的复合材料均表现出优异的高温摩擦磨损性能，说明这种复合材料可应用于高温环境下。
实施例14
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的30％Ti3AlC2，其余为粒度大于200目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行普通热压真空-保护气氛烧结，压力为50MPa，真空度20Pa，加热到400℃，关闭真空泵，打开保护气氛阀门，通入氩气，升温至950℃，保温25min，升温速率为10℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例15
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的30％Ti3AlC2，其余为粒度大于300目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，
采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为15MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行普通热压真空-保护气氛烧结，压力为50MPa，真空度40Pa，加热到400℃，关闭真空泵，打开保护气氛阀门，通入氩气，加热到1100℃，保温20min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料。
实施例16
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为40目的10％Ti3AlC2，其余为粒度150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行热压真空烧结，压力为30MPa，真空度40Pa，加热到900℃，保温60min，升温速率为30℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例17
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的10％Ti3AlC2，其余为粒度150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、3％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为30MPa，真空度20Pa，加热到1100℃，保温40min，升温速率为30℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例18
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为30目的15％Ti3AlC2，其余为粒度150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为1％Cu粉、5％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为30MPa，真空度10Pa，加热到1200℃，保温20min，升温速率为40℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例19
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为140目的15％Ti3AlC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、2％Ni粉、0.1％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为40MPa，真空度40Pa，加热到1050℃，保温30min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例20
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的20％Ti3AlC2，其余为粒度200目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为40MPa，真空度40Pa，加热到1000℃，保温30min，升温速率为30℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例21
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为200目的20％Ti3AlC2，其余为粒度150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、0.5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为40MPa，真空度10Pa，加热到1150℃，保温30min，升温速率为40℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例22
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为150目的25％Ti3AlC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、0.5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为,400r/min，球磨时间为1h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为50MPa，真空度20Pa，加热到1050℃，保温50min，升温速率为30℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例23
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为200目的25％Ti3AlC2，其余为粒度150目已混合的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、5％Ni粉、0.5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为50MPa，真空度40Pa，加热到1050℃，保温25min，升温速率为30℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例24
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的30％Ti3AlC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为60MPa，真空度10Pa，加热到1050℃，保温25min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例25
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为60目的35％Ti3AlC2，其余为粒度200目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为60MPa，真空度10Pa，加热到1000℃，保温35min，升温速率为40℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例26
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为80目的40％Ti3AlC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为70MPa，真空度10Pa，加热到1150℃，保温20min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例27
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的45％Ti3AlC2，其余为粒度500目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为10％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入6ml，球料比4:1，球磨机转速设定为400r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为80MPa，真空度10Pa，加热到1150℃，保温20min，升温速率为50℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例28
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的50％Ti3AlC2，其余为粒度200目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入4ml，球料比4:1，球磨机转速设定为300r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行真空热压烧结，压力为30MPa，真空度40Pa，加热到1150℃，保温60min，升温速率为20℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例29
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的30％Ti3AlC2，其余为粒度500目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为15％Cu粉、1％Ni粉、5％Cr粉，其余为Fe粉，采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为3h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行普通热压真空-保护气氛烧结，压力为80MPa，真空度20Pa，加热到400℃，关闭真空泵，打开保护气氛阀门，通入氩气，升温至950℃，保温60min，升温速率为10℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例30
本实施例提供一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其制备方法为：
按照体积百分比加入粒度为100目的30％Ti3AlC2，其余为粒度300目已烧结的Fe合金粉末，Fe合金粉末成分的体积百分比为5％Cu粉、5％Ni粉、3％Cr粉，其余为Fe粉，
采用行星式球磨机对上述粉料进行均匀球混，混料过程在氩气氛围中进行，酒精作为分散剂，添加量为每100g混合粉末加入5ml，球料比4:1，球磨机转速设定为350r/min，球磨时间为2h，正反转交替运行，每30min交替一次；将上述混合均匀的粉末干燥后，装入圆柱形模具中进行预压成型，压力为10MPa，保压时间15s，随后将预压块烘干；对烘干的预压块进行普通热压真空-保护气氛烧结，压力为100MPa，真空度40Pa，加热到400℃，关闭真空泵，打开保护气氛阀门，通入氩气，加热到1100℃，保温40min，升温速率为30℃/min，随炉冷却，得到毛坯；将毛坯进行表面磨削、去毛刺处理，得到Fe基耐高温自润滑复合材料。
实施例14-30均是采用热压真空-保护气氛烧结，将各实施例提供的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料进行性能测试，其中，各复合材料的摩擦系数和磨损量是在300N载荷下测定的，结果如表1所示：
表1上述实施例制得Ti3AlC2-Fe合金基自润滑复合材料的性能
根据以上实施例结果可以得知的规律如下：伴随着Ti3AlC2含量的增加，材料的摩擦磨损性能会逐步提升，但是在含量超过40vol.％以上时，磨损性能会开始减弱；伴随着Ti3AlC2颗粒度的细化，材料的摩擦磨损性能会逐步提升，但是在粒度超过100目以上时，润滑性能逐渐减弱，耐磨性能会逐渐提升；伴随着烧结温度的提升，复合材料的摩擦磨损性能会产生提升，但超过1200℃以上时，材料的润滑性能开始减弱，耐磨性能逐渐提升；伴随着保温时间的增长，材料的耐磨性能提升。烧结压力、升温速率的提升对复合材料的性能影响较小。此外，实施例14-30中提供的复合材料均表现出优异的高温摩擦磨损性能，说明这种复合材料可应用于高温等恶劣工况环境下。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其特征在于，所述复合材料是通过将原料混料后烧结制得，所述原料按质量百分比计为：Ti3AlC25-50％，其余为Fe合金；
所述Fe合金按质量百分比计为：Cu粉1-15％、Ni粉0.1-5％、Cr粉0.5-5％，其余为Fe粉。
2.根据权利要求1所述的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其特征在于，所述Ti3AlC2粉的粒度为30-200目。
3.根据权利要求1所述的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料，其特征在于，所述Cu粉为200-500目，所述Ni粉为1-5μm、所述Cr粉为200-500目、所述Fe粉的粒度为200-500目。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，其包括：
在氩气氛围下，将Cu、Ni、Cr和Fe粉末混合，并添加分散剂，进行球磨混合均匀，得到Fe合金粉末；
在氩气氛围下，将所述Fe合金粉末与所述Ti3AlC2混合，并添加分散剂，进行球磨混合均匀，球、料质量比为3-10:1，球磨机转速为200-400r/min，球磨时间为1-3h，正反转交替运行，每40-60min交替一次，得到Ti3AlC2-Fe合金混合粉末；以及
对干燥后所述TiAl-TiCX-Ti3AlC2混合粉末进行预压成型，压力为2-500Mpa，保压时间为10-30s，得到预压粉末并进行干燥；随后对所述预压粉末于900-1300℃下进行烧结，随炉冷却。
5.根据权利要求4所述的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，对所述预压粉末进行烧结的方式为放电等离子体烧结，烧结压力为20-50MPa，真空度为10-200Pa，升温速率为60-100℃/min，保温10-50min。
6.根据权利要求4所述的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，对所述预压粉末进行烧结的方式为热压真空-保护气氛烧结，烧结压力为20-130MPa，炉温400℃前真空度为10-40Pa，炉温400℃之后，通入保护气氛，烧结温度900-1300℃，保温10-90min，升温速率10-50℃/min。
7.根据权利要求4所述的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，制备所述Fe合金粉末的球磨工艺中，球料比为4-10:1，转速为250-400r/min，球磨时间为1-5h，正反转交替运行，每40-60min交替一次。
8.根据权利要求5所述的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂为水或乙醇水混合溶液，分散剂的添加量为每100g混合粉末中加入4-6mL。
9.根据权利要求4所述的Ti3AlC2-Fe合金基耐高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，还包括对采用放电等离子体烧结工艺得到的毛胚进行表面磨削、去毛刺处理的步骤。
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