CN111440968B

CN111440968B - 一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料及其制备方法

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Publication number: CN111440968B
Application number: CN202010412831.5A
Authority: CN
Inventors: 王文珍; 高强; 赵高攀; 王斌; 陕钰; 易戈文
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2040-05-15
Also published as: CN111440968A

Abstract

本发明涉及一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，该复合材料由下述按质量百分比计的组分制得：Al粉末：5~10%，Cr粉末：5~10%，Mo粉末：5~10%，Ta粉末：0~8%，Al₂O₃粉末：0~5%，Ag粉末：0~15%，余量为Ni。本发明还公开了该复合材料的制备方法。本发明具有较高机械性能和良好摩擦学性能，可适用于航空发动机涡轮叶片与外环、叶冠啮合面、涡轮传动机构轴与轴套等对机械性能和摩擦磨损性能要求较高的高温摩擦副。

Description

一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料设计及制备技术领域，尤其涉及一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术

航空、航天、核工程和能源动力等高新技术产业的高速发展，对极端苛刻工况条件（如超高/低温、超高负载、高速、特殊介质和气氛）下服役的材料的润滑性能和强度提出了越来越高的要求，尤其以先进发动机为代表的高温机械，其关键摩擦副（如涡轮叶片与外环、叶冠啮合面、涡轮传动机构轴与轴套等）对宽温域（室温～1000℃）内具有高强度、稳定可靠润滑性能的材料提出了更为迫切的需求；与此同时，由于材料在复杂应力下长期工作，要求其必须具有宽温域内足够高的抗拉强度、抗压强度等，因而高端装备制造和尖端技术工业对宽温域内具有较高机械性能和良好摩擦学性能的材料与技术有巨大需求。

关于高温和宽温域具有良好摩擦学性能的材料（自润滑复合材料）已有公开专利报道。中国专利CN 109402435A公开了一种镍铝基宽温域自润滑合金及其制备方法，与WC球配付时，其室温~1000℃范围内摩擦系数为0.20~0.50，磨损率为1.2~24×10^-5mm³/Nm。中国专利CN 103572137公开了一种NiCr-Al₂O₃自润滑复合材料及其制备方法，与Al₂O₃球配付时，其室温~1000℃内摩擦系数为0.274~0.475，磨损率为0.546~8.31×10^-5mm³/Nm。上述专利未涉及材料的机械性能。中国专利CN105441707A公开了一种复配石墨和铅（Pb）的镍基自润滑复合材料，其在室温~500℃拥有良好的润滑耐磨性能，并具有较高的室温压缩强度（>300MPa）。中国专利CN 1360075A公开了一种含Fe、Co、Nb、Se、石墨的镍基自润滑合金，其在室温~600℃范围内呈现低摩擦、耐磨损，但其抗压强度较低，室温抗压强度仅为6.80~9.86MPa，600℃抗压强度为4.34~6.65MPa。中国专利CN1073727A、CN1082620A、CN1101681A等公开的镍基自润滑合金，实现了室温~700℃良好的摩擦学性能，但其宽温域的机械性能较差。在公开的文献报道中，目前只见到两篇同时考察了材料宽温域内的机械性能和摩擦学性能，其中Liu等报道了NiCr-40wt.%Al₂O₃材料室温~1000℃下的压缩性能（TribologyInternational 84 (2015) 1–8），但其Al₂O₃的含量高达40wt.%，与Ni形成了金属陶瓷，材料可加工性较差，并且未考察材料宽温域内的拉伸性能。杨素兰等报道了不同Mo元素含量的Ni基复合材料宽温域（RT~1000℃）内的拉伸、压缩性能和摩擦磨损性能（中国有色金属学报，27卷，11期，2267-2275），但材料高温机械性能较差，1000℃下的抗拉强度仅为20~23MPa，抗压强度仅为30.1~51.0MPa；并且材料500℃以下的抗磨损性能较差，磨损率在10^-3~10^-4 mm³/Nm数量级。目前尚未见到关于室温~1000℃范围内拉伸压缩性能和摩擦磨损性能优化统一的复合材料的公开报道。

发展宽温域内机械性能和摩擦学性能优化统一的材料的难点在于若实现宽温域内的摩擦学性能，需采用不同温域润滑剂复配或协同，而由于润滑剂熔点较低、硬度较小（软金属Ag、Au等），或与金属基体的相容性较差（石墨、h-BN、CaF₂、BaF₂及其共晶等）、对基体相产生严重的割裂，导致材料的机械性能下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有较高机械性能和良好摩擦学性能的镍基宽温域高强度自润滑复合材料。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该镍基宽温域高强度自润滑复合材料的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，其特征在于：该复合材料由下述按质量百分比计的组分制得：Al粉末：5~10%，Cr粉末：5~10%，Mo粉末：5~10%，Ta粉末：0~8%，Al₂O₃粉末：0~5%，Ag粉末：0~15%，余量为Ni。

如上所述的一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：首先按配比称重，然后将Ni、Cr、Mo、Al、Ta、Ag、Al₂O₃的粉末混合，经球磨，得到混合粉末；最后，所述混合粉末装入石墨模具，并置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，待烧结完成后随炉冷却至室温，即得块体Ni基复合材料。

所述球磨条件是指球料质量比为10：1，转速为250r/min 或400r/min，以无水甲醇保护球磨10~20小时。

所述真空热压烧结条件是指升温速率为5~10℃/min，烧结温度为1100~1200℃，烧结压力为20~30MPa，烧结时间为30~120min，真空度为10^-3~10^-1Pa。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过对材料进行强度设计，以高温机械性能优良的Ni 为基体，添加Al、Cr、Mo、Ta 等合金强化元素和弥散强化氧化物α-Al₂O₃，并采用粉末冶金方法（球磨+真空热压烧结）进行制备，在热压烧结过程中原位生成TaC、Al₂O₃等弥散强化相。其中Al与Ni反应形成Ni₃Al（γˊ相），起沉淀强化作用，因γˊ相在Ni基体中的溶解度变化较大，具有高温时溶解，低温时效时再析出的特性，并且总是析出于基体上，γˊ相本身既有较好的强度又可以参与形变，不会由于析出大量γˊ或存在大块γˊ相而产生严重的脆性，因此是镍基材料中主要的强化相；而Cr、Mo、Ta等元素起固溶强化作用；弥散强化相具有高熔点、良好的热稳定性和化学稳定性，不与基体发生化学反应，并且在基体中弥散分布，阻碍位错运动，起到强化作用，可以保证材料在较高温度下（0.85~0.9 T_熔）具有很高的高温强度；因而通过固溶强化、沉淀强化、弥散强化的复合强化机制可以实现材料在宽温域内较高的机械性能。

2、本发明中Cr、Mo等元素对复合材料的摩擦学性能有利，如Cr 的氧化物Cr₂O₃可起增强和耐磨作用；Mo在高温下氧化生成的MoO₃和摩擦化学反应生成的钼酸盐具有优良的高温润滑性。

3、本发明中未添加高温润滑剂，但摩擦反应过程中生成的NiO、MoO₃、钼酸银等相可为中高温润滑剂，可在中、高温下起润滑作用；Al 和Cr 的氧化物Al₂O₃和Cr₂O₃等也可起耐磨作用。

4、本发明通过Ag和（或）摩擦化学反应自生成润滑相的协同，可以实现室温～1000℃的连续润滑。

5、本发明利用固溶强化、沉淀强化、弥散强化的复合强化机制实现宽温域内较高的机械性能；同时，选择对基体相不产生严重的割裂，并能在高温摩擦过程中发生摩擦化学反应原位生成新的高温润滑相的低温润滑相，通过低温润滑相与摩擦化学反应原位生成高温润滑相的复配与协同，实现材料在宽温域内（RT~1000℃）的连续润滑，可适用于航空发动机涡轮叶片与外环、叶冠啮合面、涡轮传动机构轴与轴套等对机械性能和摩擦磨损性能要求较高的高温摩擦副。

⑴本发明所得复合材料的成分和显微组织：

本发明所得复合材料的典型显微组织包括：固溶了Cr、Mo等元素的镍基固溶体基体相、弥散分布的氧化物（Al₂O₃）或碳化物弥散强化相（TaC）和连续分布的Ag润滑相。

⑵本发明所得复合材料的性能测试：

①拉伸性能测试

测试方法：采用Instron 5582型电子万能材料试验机测试材料的拉伸性能，拉伸样品为板状试样，标距段尺寸为20mm（长）×4mm（宽）×2mm（厚度），拉伸测试温度分别为室温、400℃、800℃和1000℃，拉伸速率为屈服前0.3 mm/min，屈服后2.3 mm/min。

②压缩性能测试：

测试方法：采用电子万能试验机测试材料的压缩性能，样品尺寸为φ6mm×9mm，压缩测试温度分别为室温、400℃、800℃和1000℃，应变速率为0.5 mm/min。

③摩擦学性能测试

测试方法：在UMT-3高温摩擦试验机上进行，盘为本发明的复合材料，尺寸为φ24mm×3mm，对偶球为φ10mm的Al₂O₃陶瓷球，载荷20N，滑动速率为200r/min，旋转半径为5mm，运行时间60分钟。测试温度为室温、400和800℃（由于摩擦试验机自身的限制，最高测试温度只能到800℃）。

本发明所得镍基复合材料的拉伸、压缩和摩擦学性能测试结果见表1。

表1本发明所得镍基复合材料的拉伸、压缩和摩擦学性能

由表1可以看出，本发明以高温性能优良的Ni为基体，添加Cr、Mo、Al起沉淀强化和固溶强化作用，外加或热压烧结过程中原位生成难熔金属氧化物或碳化物起弥散强化作用，确保了材料室温~1000℃较高的拉伸和压缩强度；通过Ag和（或）摩擦化学反应过程中形成的钼酸银、氧化镍、氧化钼等的协同润滑作用实现了宽温域内（室温~1000℃）良好的摩擦学性能（虽然摩擦学性能只测试到800℃，但根据显微组织推断，材料在1000℃下也具有良好的摩擦学性能）。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例1制备的镍基宽温域高强度自润滑复合材料的成分和显微组织图。

图2为本发明实施例2制备的镍基宽温域高强度自润滑复合材料的成分和显微组织图。

图3为本发明实施例3制备的镍基宽温域高强度自润滑复合材料的成分和显微组织图。

具体实施方式

实施例1 一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，该复合材料由下述按质量百分比计的组分制得：Al粉末：5%，Cr粉末：5%，Mo粉末：5%，Al₂O₃粉末：5%，Ag：10%，Ni粉末70%。

其制备方法：首先按配比称重，然后将Ni粉末、Cr粉末、Mo粉末、Al粉末、Ag粉末、Al₂O₃粉末置于行星式球磨机或高能球磨机中，添加5~7ml无水甲醇，在球料质量比为10：1、转速为250r/min（高能球磨机）或转速为400r/min（行星式球磨机）、球磨罐和球磨球均为ZrO₂的条件下以无水甲醇保护球磨20小时（磨30min，停30min，总计20h），得到混合的NiCrMoAl-Al₂O₃-Ag粉末；最后，混合粉末装入内壁涂抹BN的石墨模具，并置于真空热压烧结炉中，在升温速率为10℃/min、烧结温度为1100℃、烧结压力为25MPa、烧结时间为30min、真空度为10^-1Pa的条件下进行热压烧结。待烧结完成后随炉冷却至室温，即得致密的NiCrMoAl-Al₂O₃-Ag复合材料。

该复合材料烧结后的X射线衍射结果和显微组织的SEM图示于图1，可以看出该材料烧结后包含四种相：Ni基固溶体基体相，原位生成的γˊ（Ni₃Al）、Al₂O₃强化相，外加的Al₂O₃增强相，连续分布的Ag润滑相。该材料室温~1000℃的拉伸、压缩和摩擦磨损性能示于表2。该材料除原位生成的Al₂O₃外，又添加了5wt.%的Al₂O₃，起明显的强化作用，导致其高温下（800、1000℃）的拉伸和压缩性能最高。

表2 NiCrMoAl-Al₂O₃-Ag复合材料宽温域内的拉伸、压缩和摩擦、磨损性能

实施例2 一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，该复合材料由下述按质量百分比计的组分制得：Cr粉末5%、Mo粉末5%、Al粉末5%、Ta粉末5%、Ag粉末10%、Ni粉末70%。

其制备方法：首先按配比称重，然后将Cr粉末、Mo粉末、Al粉末、Ta粉末、Ag粉末、Ni粉末置于行星式球磨机或高能球磨机中，添加5~7ml无水甲醇，在球料质量比为10：1、转速为250r/min（高能球磨机）或转速为400r/min（行星式球磨机）、球磨罐和球磨球均为ZrO₂的条件下以无水甲醇保护球磨15小时（磨30min，停30min，总计15h），得到混合的NiCrMoAl-Ta-Ag粉末；最后，混合粉末装入内壁涂抹BN的石墨模具，并置于真空热压烧结炉中，在升温速率为10℃/min、烧结温度为1100℃、烧结压力为20MPa、烧结时间为60min、真空度为10^-2Pa的条件下进行热压烧结。待烧结完成后随炉冷却至室温，即得致密的NiCrMoAl-Ta-Ag复合材料。

该复合材料烧结后的X射线衍射结果和显微组织的SEM图示于图2。可以看出：该材料由Ni基固溶体、原位生成的弥散强化相Al₂O₃和TaC以及连续分布的Ag组成。该材料室温~1000℃的拉伸、压缩和摩擦磨损性能示于表3。

表3 NiCrMoAl-Ta-Ag复合材料宽温域内的拉伸、压缩和摩擦、磨损性能

实施例3 一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，该复合材料由下述按质量百分比计的组分制得：Cr粉末5%、Mo粉末5%、Al粉末5%、Ta粉末5%、Ni粉末80%。

其制备方法：首先按配比称重，然后将Cr粉末、Mo粉末、Al粉末、Ta粉末、Ni粉末置于行星式球磨机或高能球磨机中，添加5~7ml无水甲醇，在球料质量比为10：1、转速为250r/min（高能球磨机）或转速为400r/min（行星式球磨机）、球磨罐和球磨球均为ZrO₂的条件下以无水甲醇保护球磨10小时（磨30min，停30min，总计10h），得到混合的NiCrMoAl-Ta粉末；最后，混合粉末装入内壁涂抹BN的石墨模具，并置于真空热压烧结炉中，在升温速率为10℃/min、烧结温度为1200℃、烧结压力为30MPa、烧结时间为30min、真空度为10^-3Pa的条件下进行热压烧结。待烧结完成后随炉冷却至室温，即得致密的NiCrMoAl-Ta复合材料。

该复合材料烧结后的X射线衍射结果和显微组织的SEM图示于图3。该材料由Ni基固溶体、原位生成的弥散强化相Al₂O₃和TaC组成。该材料室温~1000℃的拉伸、压缩和摩擦磨损性能示于表4。该材料在室温和400℃具有极高的抗拉和抗压强度，这与原位生成了TaC增强相有关。

表4 NiCrMoAl-Ta复合材料宽温域内的拉伸、压缩和摩擦、磨损性能

实施例4 一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，该复合材料由下述按质量百分比计的组分制得：Al粉末：8%，Cr粉末：8%，Mo粉末：10%，Ta粉末8%，Al₂O₃粉末：3 %，Ag：15%，Ni粉末48%。

其制备方法：首先按配比称重，然后将Al粉末、Cr粉末、Mo粉末、Ta粉末、Al₂O₃粉末、Ag、Ni粉末置于行星式球磨机或高能球磨机中，添加5~7ml无水甲醇，在球料质量比为10：1、转速为250r/min（高能球磨机）或转速为400r/min（行星式球磨机）、球磨罐和球磨球均为ZrO₂的条件下以无水甲醇保护球磨20小时（磨30min，停30min，总计20h），得到混合的NiCrMoAl-Ta -Al₂O₃-Ag粉末；最后，混合粉末装入内壁涂抹BN的石墨模具，并置于真空热压烧结炉中，在升温速率为8℃/min、烧结温度为1200℃、烧结压力为25MPa、烧结时间为120min、真空度为10^-3Pa的条件下进行热压烧结。待烧结完成后随炉冷却至室温，即得致密的NiCrMoAl-Ta-Al₂O₃-Ag复合材料。

实施例5 一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，该复合材料由下述按质量百分比计的组分制得：Al粉末：10%，Cr粉末：10%，Mo粉末：8%，Al₂O₃粉末：5%，Ag：10%，Ni粉末57%。

其制备方法：首先按配比称重，然后将Ni粉末、Cr粉末、Mo粉末、Al粉末、Ag粉末、Al₂O₃粉末置于行星式球磨机或高能球磨机中，添加5~7ml无水甲醇，在球料质量比为10：1、转速为250r/min（高能球磨机）或转速为400r/min（行星式球磨机）、球磨罐和球磨球均为ZrO₂的条件下以无水甲醇保护球磨15小时（磨30min，停30min，总计15h），得到混合的NiCrMoAl-Al₂O₃-Ag粉末；最后，混合粉末装入内壁涂抹BN的石墨模具，并置于真空热压烧结炉中，在升温速率为5℃/min、烧结温度为1150℃、烧结压力为30MPa、烧结时间为90min、真空度为10^-1Pa的条件下进行热压烧结。待烧结完成后随炉冷却至室温，即得致密的NiCrMoAl-Al₂O₃-Ag复合材料。

Claims

1.一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，其特征在于：该复合材料利用固溶强化、沉淀强化、弥散强化的复合强化机制实现宽温域内较高的机械性能；通过低温润滑相与摩擦化学反应原位生成高温润滑相的复配与协同，实现材料在RT~1000℃的宽温域内的连续润滑，其由下述按质量百分比计的组分制得：Al粉末：5~10%，Cr粉末：5~10%，Mo粉末：5~10%，Ta粉末：0~8%，Al₂O₃粉末：0~5%，Ag粉末：10~15%，余量为Ni；

其制备方法：首先按配比称重，然后将Ni、Cr、Mo、Al、Ta、Ag、Al₂O₃的粉末混合，经球磨，得到混合粉末；最后，所述混合粉末装入石墨模具，并置于真空热压烧结炉中进行热压烧结，待烧结完成后随炉冷却至室温，即得块体Ni基复合材料。

2.如权利要求1所述的一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，其特征在于：所述球磨条件是指球料质量比为10：1，转速为250r/min 或400r/min，以无水甲醇保护球磨10~20小时。

3.如权利要求1所述的一种镍基宽温域高强度自润滑复合材料，其特征在于：所述真空热压烧结条件是指升温速率为5~10℃/min，烧结温度为1100~1200℃，烧结压力为20~30MPa，烧结时间为30~120min，真空度为10^-3~10^-1Pa。