CN111755085A - 高温自补偿耐磨材料、设计方法及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新材料领域，具体涉及一种高温自补偿耐磨材料的设计方法和制备方法。根据本发明的高温自补偿耐磨材料的设计方法，首先通过化学反应前后晶胞体积变化筛选出具有晶胞体积膨胀特性的陶瓷基体材料和金属润滑材料体系(如VN和金属Ag)，利用球磨和热压技术制备复合材料，通过调控材料的化学组成，如VN和金属Ag的含量，控制高温磨损过程的化学反应实现磨损区域生成的化学物体积比原料明显增大(如VN和金属Ag高温生成AgVO3)，最终基于磨损过程化学反应引起的体积膨胀诱导自补偿实现材料少磨损、甚至越磨越多的一种高温自补偿耐磨材料的设计方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温耐磨材料技术领域，特别涉及一种高温自补偿耐磨材料、设计方法及制备方法。
背景技术
超低摩擦、超低磨损是所有运动部件的永恒追求，尤其高温超低磨损甚至零磨损更是影响航空航天发动机高温运动部件服役寿命和可靠性的关键因素。目前，以氧化物为核心的固体润滑材料实现了良好高温润滑，但高磨损率成为制约润滑材料服役寿命与稳定性的瓶颈。研究表明，通过材料设计、润滑剂组配及摩擦自生氧化物润滑剂等途径，满足了固体润滑材料高温(如600℃～1000℃)摩擦系数＜0.3，甚至部分温度＜0.1的使用要求。但是，常用高温润滑材料的磨损率约为10-4mm3N-1m-1～10-6mm3N-1m-1，如美国国家航空航天局(NASA)的PS304涂层650℃磨损率约为100×10-6mm3N-1m-1，PS400涂层 650℃的磨损率约为7.6×10-6mm3N-1m-1(如US8753417B、US5866518B等)；欧阳锦林等研发的镍合金基自润滑复合材料600℃的磨损率约为23.3×10-6mm3N-1m-1；朱圣宇、贾均红等研究表明镍基自润滑材料500℃～800℃磨损率约为10-4mm3N-1m-1～10-6mm3N-1m-1(如 CN 101078071A、CN101519739A、CN 103540780A等)。因此，改善固体润滑材料的高温摩擦磨损性能，兼顾低摩擦系数与磨损率成数量级降低的新型高温固体润滑材料的研发及应用将显著提升以航空工业为代表的尖端制造业的科技水平。
提高硬度、强度以改善材料耐磨性已十分成熟，但持续的机械磨耗成为制约关键装备服役寿命和可靠性的瓶颈。Dellacorte等以单质金属代替氧化物，以耐高温金属材料和陶瓷相为基础研制的PS/PM系列涂层在箔片空气轴承和斯特林发动机中获得了广泛应用；J.H.Ouyang等以金属单质或氧化物为润滑剂，利用真空热压烧结技术制备了ZrO2、Al2O3、SiC和Si3N4等一系列陶瓷基高温固体润滑材料，其中700℃～1000℃的摩擦系数约为0.14～0.3，磨损率约为10-4mm3N-1m-1～10-6mm3N-1m-1。因此，以氧化物为核心润滑剂，以陶瓷材料为基体的高温固体润滑材料虽然具备优异的高温(600℃～1000℃)润滑性能，但材料的高机械磨耗成为制约关键装备服役寿命和可靠性的瓶颈。
材料的氧化过程普遍存在体积膨胀现象。例如，热生长氧化层的增厚是导致航空发动机叶片热障涂层损伤的主要原因；金属间化合物MoSi2的灾难性氧化源于高温氧化产物 MoO3/SiO2的体积膨胀。因此，通过调控化学反应产物的体积膨胀量有望弥补磨损造成的材料损伤，实现材料的超低磨损甚至零磨损。众多研究人员在研究中发现了材料的零磨损甚至负磨损现象，如S.Pearson和白亚平等研究高温磨损过程中均发现了磨损表面体积膨胀现象，并证实该体积膨胀源于对磨材料的转移。徐滨士等研究纳米铜粉作润滑油添加剂时同样发现了负磨损现象，表明添加剂的沉积引起了磨损区域的体积膨胀。对比分析，上述负磨损现象均需要外来物补偿才能维持材料的机械磨耗，但目前还没有现有技术可以解决外来物补偿问题，并不适于航空航天、空间站及核电等战略性装备运动部件的高温自补偿负磨损修复。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高温自补偿耐磨材料、设计方法及制备方法，以克服现有技术中存在材料的高机械磨耗和需外来物的负磨损修复问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高温自补偿耐磨材料的设计方法，是通过化学反应后体积膨胀量进行陶瓷基体材料和金属润滑材料的筛选；在材料筛选的基础上，通过不同材料的化学反应体积膨胀量进行材料磨损量的吻合性设计，实现磨损表面化学物的化学反应的体积膨胀量与材料磨损量相接近，通过摩擦材料化学反应后体积膨胀来弥补磨损损伤，最终实现材料磨损的自补偿膨胀修复。
基于上述方法提供的一种高温自补偿耐磨材料的制备方法，包括下述步骤：
首先基于反应热力学判断化学反应的可行性，选择的陶瓷基体材料为VN，金属润滑材料为金属Ag；
然后通过化学反应后体积膨胀量可利用不同化合物的晶胞体积进行计算，调控材料的化学组成；
最后利用球磨技术对筛选后的原材料粉末进行混合处理，再利用真空热压烧结技术制备高温自补偿耐磨材料。
本发明要通过化学反应后体积膨胀量进行原料筛选，实现材料磨损区域的体积膨胀自补偿修复，自补偿是通过调控化学反应产物的体积膨胀量实现耐磨区域的修复，体积膨胀量是通过化学反应前后化合物的晶胞体积计算而获得。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)突破了传统耐磨材料提高硬度、强度改善材料耐磨性的方法，提出一种利用化学反应后体积膨胀实现自补偿耐磨的新型耐磨材料设计方法，实现了材料少磨损或者越磨越多，延长了高温耐磨材料的使用寿命。
(2))本发明方法制备得到的材料能够满足高温环境下材料的耐磨需求，有望在航空航天、冶金、汽车、箔片轴承等领域获得广泛应用。
附图说明
图1所示陶瓷基体材料和金属润滑材料的化学反应热力学计算图；
图2所示为本发明实施例1中VN/Ag体系高温自补偿耐磨材料的微观形貌图；
图3所示为本发明实施例1中VN/Ag体系高温自补偿耐磨材料不同温度磨损率图；
图4所示为本发明实施例1中VN/Ag体系高温自补偿耐磨材料不同温度材料的磨损率图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明进行更为具体的解释说明。
本发明的一个方面提供了高温自补偿耐磨材料的设计方法，是通过化学反应后体积膨胀量进行陶瓷基体材料和金属润滑材料的筛选，具体的说，就是基于反应热力学判断化学反应的可行性，参见图1，图1为V/VN-Ag-O材料的体系反应热力学计算，通过晶胞体积计算在原子数相同的前提下计算化学反应前后化学物的晶胞体积变化；在材料筛选的基础上，通过不同材料的化学反应体积膨胀量进行材料磨损量的吻合性设计，实现磨损表面化学物的化学反应的体积膨胀量与材料磨损量相接近，通过摩擦材料化学反应后体积膨胀来弥补磨损损伤，最终实现材料磨损的自补偿膨胀修复。
具体的，本发明是以陶瓷基体材料VN陶瓷和金属润滑材料金属Ag为原料进行设计，根据上述方法，本发明提供的一种高温自补偿耐磨材料的制备方法，包括以下具体步骤：
(1)选择具有优异高温性能的陶瓷基体材料VN和金属润滑材料金属Ag为原料开展高温自补偿耐磨材料设计。
(2)通过陶瓷基体材料和金属润滑材料为原料的化学反应前后化合物的晶胞体积变化量筛选出具有体积膨胀特性的高温自补偿耐磨材料体系。例如，通过计算发现，以质量分数80％-95％VN和金属5％-20％Ag为原料，经过高温化学反应后生成的AgVO3化合物晶胞体积膨胀约2.03倍；以TaN和金属Ag为原料，经过高温化学反应后生成的AgTaO3的晶胞体积膨胀约1.62倍；但是，以MoS2和金属Ag为原料生成Ag2MoO4化合物的反而晶胞体积收缩了0.72倍。
(3)利用球磨和真空热压烧结技术制备了高温耐磨材料并实现了自补偿耐磨。
实施例1：一种高温自补偿耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料的选择：基于反应热力学判断化学反应的可行性，通过晶胞体积计算在原子数相同的前提下计算化学反应前后化学物的晶胞体积变化，筛选出具有明显体积膨胀的材料体系。表1为部分陶瓷基体材料和金属润滑材料发生化学反应前后的晶胞体积变化情况。
表1.不同化合物的晶胞体积及原子组成
(2)参见表1，筛选出配比以质量分数85％VN和金属15％Ag为原料的VN/Ag材料体系；
(3)利用公知的球磨和真空热压烧结技术制备陶瓷基复合材料，图2为通过本发明制备的VN-15wt.％Ag复合材料的微观结构图。
本实施例得到的材料采用高温摩擦磨损测试不同温度材料的磨损率，结果表明通过本发明设计制备的VN-15wt.％Ag复合材料在700℃磨损表面出现了明显的越磨越多现象，磨损率为负磨损。
由此可知，该高温自补偿耐耐磨材料在高温工况下具有优异的耐磨性能，磨损区域的体积膨胀可保障材料在高温工况下具有优异的摩擦磨损性能，实现了新型高温自补偿耐磨材料的设计制备。
实施例2一种高温自补偿耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料的选择：基于反应热力学判断化学反应的可行性，通过晶胞体积计算在原子数相同的前提下计算化学反应前后化学物的晶胞体积变化，筛选出具有明显体积膨胀的材料体系(表1)。
(2)参见表1筛选出配比以质量分数95％VN和金属5％Ag为原料的VN/Ag材料体系；
(3)利用公知的球磨和真空热压烧结技术制备出VN-5wt.％Ag陶瓷基复合材料。
采用高温摩擦磨损测试不同温度材料的磨损率，结果表明通过本发明设计制备的VN-5wt.％Ag复合材料在700℃磨损表面出现了明显的越磨越多现象，磨损率为负磨损。
由此可知，该高温自补偿耐耐磨材料在高温工况下具有优异的耐磨性能，磨损区域的体积膨胀可保障材料在高温工况下具有优异的摩擦磨损性能，实现了新型高温自补偿耐磨材料的设计制备。
为了与本发明进行对比，首先筛选出具有明显体积膨胀但不具有金属润滑材料的材料体系，表1为部分陶瓷基体材料和金属润滑材料发生化学反应前后的晶胞体积变化情况。显示单一VN材料由VN转变为V2O5化学反应后体积膨胀达到2.53倍，选择化学反应后具有明显体积膨胀的VN单相材料为原材料，但材料不含有金属润滑材料，利用球磨和真空热压烧结技术制备VN陶瓷材料。采用高温摩擦磨损测试不同温度材料的磨损率，结果表明VN复合材料在700℃磨损率显著高于本发明实施例1和实施例2的材料(参见图3)，不能出现磨损区域自补偿修复。
由此可知，本发明设计的首要条件是根据本发明选择具有化学反应后体积膨胀特性的原料体系。
以材料VN-15wt.％MoS2复合材料和本发明的产物进行比较：
VN-15wt.％MoS2复合材料的制备也可以采用本发明的设计体系：(1)筛选适宜的陶瓷基体材料和金属润滑材料为原材料，首先基于反应热力学判断化学反应的可行性，通过晶胞体积计算在原子数相同的前提下计算化学反应前后化学物的晶胞体积变化，根据表1部分陶瓷基体材料和金属润滑材料发生化学反应前后的晶胞体积变化情况筛选出具有体积收缩的材料体系。选择化学反应后体积收缩的VN/MoS2为原材料；利用球磨和真空热压烧结技术制备VN-15wt.％MoS2陶瓷基复合材料。采用高温摩擦磨损测试不同温度材料的磨损率，结果表明VN-15wt.％MoS2复合材料在700℃磨损率更高(图4)，不能出现磨损区域自补偿现象。
由此也可知，本发明设计的首要条件是根据本发明选择具有化学反应后体积膨胀特性的原料体系。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高温自补偿耐磨材料的设计方法，其特征在于：是通过化学反应后体积膨胀量进行陶瓷基体材料和金属润滑材料的筛选；在材料筛选的基础上，通过不同材料的化学反应体积膨胀量进行材料磨损量的吻合性设计，实现磨损表面化学物的化学反应的体积膨胀量与材料磨损量相接近，通过摩擦材料化学反应后体积膨胀来弥补磨损损伤，最终实现材料磨损的自补偿膨胀修复。
2.根据权利要求1所述的设计方法进行的高温自补偿耐磨材料的制备方法，其特征在于：包括下述步骤
首先基于反应热力学判断化学反应的可行性，选择的陶瓷基体材料为VN陶瓷和金属润滑材料为金属Ag；
然后通过化学反应后体积膨胀量可利用不同化合物的晶胞体积进行计算，调控材料的化学组成；
最后利用球磨技术对筛选后的原材料粉末进行混合处理，再利用真空热压烧结技术制备高温自补偿耐磨材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法制得的高温自补偿耐磨材料。
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2020
- 2020-06-23 CN CN202010582548.7A patent/CN111755085B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111755085B (zh) | 2024-02-09 |
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