CN114000012B - 一种可磨耗自润滑铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可磨耗自润滑铝基复合材料及其制备方法，可应用于航空发动机密封结构的研制。采用中频感应炉熔炼制备添加纳米级六方氮化硼(h‑BN)的铝基复合材料铸锭，通过气雾化工艺制备h‑BN增强铝基复合材料粉末，并使用优化后的激光选区熔化工艺成形h‑BN增强铝基复合材料及其结构。制备的铝基复合材料及其结构，具有可磨耗性，可在不损伤对磨零件的前提下，自身被磨损和刮削；而且，基体中分布的h‑BN相具有良好的润滑性能，在摩擦磨损过程中可作为润滑剂，大幅降低复合材料摩擦系数。

Description

一种可磨耗自润滑铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，涉及一种可磨耗自润滑铝基复合材料及其制备方法，主要用于航空发动机密封结构的研制。
背景技术
某型进口飞机发动机在定期检修时，发现其涡轮导向器密封圈出现局部磨损掉块现象，导致封严效果变差造成漏气损失，从而降低了发动机的燃油效率和工作性能。该部件材料是一种可磨耗自润滑材料，长期依赖进口，供货周期长，价格昂贵，易受贸易政策风险，配件供应不规律，导致大修时间延长，影响装机使用。
此部件工作于发动机涡轮部位，通过导向器间接承受燃气的气动力、气流脉动所造成的振动负荷，易产生局部磨损掉块，导致内外气流压差难以实现密封圈弹性压紧，因此必须更换新部件。而该部件是一种未知的添加陶瓷颗粒的铝基复合材料，含有陶瓷成分，由于界面结合性差，很难通过熔焊或钎焊的焊接方式对零件进行修复。同时该材料脆性较大，机械切削性能差，目前国内尚无直接通过该材料毛坯加工成形零件的方法。
以往研究表明，在金属基体中均匀分布纳米级别的陶瓷颗粒可以对复合材料的各项性能起到显著的增强效果。本发明针对上述零件技术需求，需要设计一种具有可磨耗自润滑性能的纳米氮化硼增强铝基复合材料。那么，如何采取可行的技术途径获得纳米氮化硼颗粒均匀分布的铝基复合材料是一个难点。而直接采用纳米级的六方氮化硼颗粒作为激光增材制造的原材料，在工艺上存在很大技术难点，无法实现顺利的铺粉以及成分精确控制。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种可磨耗自润滑铝基复合材料及其制备方法，目的是提供一种纳米级或亚纳米级六方氮化硼增强的铝基复合材料，并解决目前纳米级的六方氮化硼颗粒无法作为激光增材制造原材料的技术问题。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，提供一种可磨耗自润滑铝基复合材料，所述铝基复合材料为纯铝或铝基合金中均匀分布纳米级或亚纳米级六方氮化硼(h-BN)，其中纳米级或亚纳米级六方氮化硼质量占比10％～30％；所述铝基复合材料密度为2.5～2.8g/cm3。
进一步地，所述纳米级或亚纳米级六方氮化硼质量占比10％～15％。
另一方面，提供一种可磨耗自润滑铝基复合材料的制备方法，所述制备方法首先制备添加纳米级六方氮化硼的铝基复合材料铸锭，通过气雾化工艺制备纳米级六方氮化硼增强铝基复合材料粉末，并使用优化后的激光选区熔化工艺成形纳米级或亚纳米级六方氮化硼增强铝基复合材料。
所述制备方法步骤如下：
步骤一：铸锭制备：采用中频感应炉熔炼制备铝基复合材料铸锭，首先将纯铝或铝基合金熔化，加入纳米级六方氮化硼(h-BN)，采用搅拌器充分搅拌，最终凝固后制备出纳米级或亚纳米级h-BN陶瓷均匀分布的铝基复合材料铸锭；
步骤二：粉末制备：采用气雾化制粉工艺将步骤一中的铸锭制备成铝基复合材料粉末，粉末要求外观浅灰色；
步骤三：激光选区熔化成形：采用激光选区熔化成形方法制备六方氮化硼增强铝基复合材料制件，工艺参数为：激光功率140W～180W，扫描速率500mm/s～900mm/s，层厚30μm～40μm，扫描间距0.12mm～0.14mm，制件经荧光和X射线检测无裂纹和未熔合缺陷；
步骤四：热处理：采用热处理炉对制件进行热处理，制度为270℃～290℃，保温2h～3h，空冷，以消除内应力。
进一步地，步骤一中，铝基复合材料铸锭的密度为2.52～2.65g/cm3。
步骤二中，铝基复合材料粉末的粒度为15～53μm，粒径分布D10：15～20μm，D50：32～37μm，D90：50～58μm，球形度不低于85％，空心粉比例不超过0.5％，松装密度达到1.0～1.12g/cm3，振实密度达到1.375～1.54g/cm3。
步骤三中，采用激光选区熔化成形方法制备的铝基复合材料制件中，六方氮化硼相均匀分布在铝基合金基体中，六方氮化硼相的尺寸在0.1nm～10nm。
优选的方案中，六方氮化硼相的尺寸在0.1nm～1nm。
步骤一所述纯铝中铝含量≥99％，Fe+Si含量≤1％。
本发明的有益效果是：
本发明研究了不同尺度的氮化硼对铝基合金的强化机理及内在规律，结论为纳米级及亚纳米级的六方氮化硼可在铝基合金中起到最佳的强化效果，可起到可磨耗作用及自润滑作用。
本发明针对某航空发动机密封结构用复合材料进行了自主研发设计，在铝基合金中添加了纳米级六方氮化硼。六方氮化硼具有良好的润滑性能、抗氧化性和良好的化学稳定性等优越的综合性能，使其非常适合用作可磨耗封严涂层材料中的可磨耗相；同时由于其具有片层结构，在摩擦磨损过程中，还可起到润滑作用，降低摩擦系数，减少磨损。
首先采用铸造的方法制备铝基复合材料铸锭，再采用气雾化法制备粉末，可以实现简单地在铝基合金中添加纳米级的六方氮化硼，且可初步实现氮化硼相的大致均匀分布。但是铸造后，会存在氮化硼/金属之间润湿性差、无法实现冶金结合的问题，本发明中通过激光选区熔化增材制造并探索合适的工艺参数解决。在激光选区熔化成形过程中，六方氮化硼的外层会有一部分发生熔化并与铝基合金基体发生冶金结合，生成牢固的结合界面，因此六方氮化硼的尺寸会有所减小，最终复合材料中分布的六方氮化硼的尺寸为纳米级或亚纳米级，刚好可以起到最佳强化效果。
六方氮化硼的添加含量也需要精确控制，本发明通过实验研究和机理分析，确定只有六方氮化硼质量占比10％～30％的范围时，复合材料的摩擦磨损性能才最好。六方氮化硼质量占比较少时，无法起到强化作用；占比较多时，一方面是陶瓷相过多，材料硬度过高，会使对磨零件发生磨损，可磨耗性下降，第二个方面是材料成形性变差，成形易出现裂纹，第三个方面是会析出Al-Si-Fe相，该相脆性较大，会导致复合材料无法顺利成形。
本发明采用激光选区熔化方法制备这种铝基复合材料，在技术上具有以下优势：(1)增强相分布均匀。增材制造首先可以保证增强相颗粒在每一层中形成均匀、一致的分布，这样就确保了整体构件中增强相的均匀性。(2)陶瓷/金属润湿性问题得到解决，且界面反应可控。激光束能量极高，在材料制造过程中瞬时温度可以达到3000℃以上，可以使氮化硼表面迅速发生熔化并与铝基合金基体发生反应，生成稳定的冶金结合界面，氮化硼表面吸附的气体、杂质等也会在高温下迅速分解或被去除，无需对其表面进行任何预处理。
采用本发明的技术方案设计并制备的铝基复合材料，具有可磨耗、自润滑的性能特点，可用于发动机密封结构的研制，解决上述材料技术难题。
采用本发明技术方案设计并制备的铝基复合材料及其结构，具有以下优点：
1.可磨耗性：与对磨零件相互作用时，铝基复合材料本身被磨损和刮削，可在不损伤对磨零件的前提下，获得发动机实际工作状态下的最小间隙，提高封严效果。
2.自润滑作用：六方氮化硼具有片层结构，在摩擦磨损过程中，还可起到润滑作用，降低摩擦系数，减少磨损。
3.低密度：由于添加了陶瓷，铝基复合材料的密度会显著降低，作为发动机零件，会对减重起到有利效果。
4.基于激光选区熔化技术的优势，制备的氮化硼增强铝基复合材料，其陶瓷片层能够均匀分布在铝基体中，同时与基体形成良好的冶金结合，与传统制备方法相比，缺陷数量大大减少。
具体实施方式
在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。下面结合制备某型进口发动机涡轮导向器密封圈的步骤详细介绍本发明方法，具体如下：
(1)铸锭制备。采用中频感应炉熔炼制备铝基复合材料铸锭，首先将纯铝熔化，加入尺寸为10nm的六方氮化硼(h-BN)，采用搅拌器充分搅拌，最终凝固后制备出纳米级h-BN陶瓷均匀分布的铝基复合材料铸锭，h-BN质量占比20％，铸锭的密度为2.618g/cm3。
(2)粉末制备。采用气雾化制粉工艺制备铝基复合材料粉末，制备的粉末粒度为15～53μm，粒径分布D10：18μm，D50：35μm，D90：50μm，球形度为91％，空心粉比例为0.3％。
(3)激光选区熔化成形。实验设备为EOS M290，激光选区熔化成形制备h-BN增强铝基复合材料密封圈结构，优化后的工艺参数为激光功率160w，扫描速率700mm/s，层厚30μm，扫描间距0.13mm，制备的零件经荧光和X射线检测无裂纹和未熔合缺陷。
(4)热处理。采用热处理炉对密封圈零件进行热处理，制度为270℃，保温2h，空冷，以消除内应力。
(5)机械加工。根据零件图纸要求，进行磨削和抛光等加工方式，切削时选用硬度与强度较好的刀具，设置适宜的切削用量。
(6)无损检测。采用荧光渗透方法，对机加工后的密封圈零件进行检测，无表面损伤及裂纹。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可磨耗自润滑铝基复合材料，其特征在于：
所述铝基复合材料为纯铝或铝基合金中均匀分布纳米级或亚纳米级六方氮化硼，其中纳米级或亚纳米级六方氮化硼质量占比15%~30%；所述铝基复合材料密度为2.5~2.8g/cm3；其制备方法为：首先制备添加纳米级六方氮化硼的铝基复合材料铸锭，通过气雾化工艺制备纳米级六方氮化硼增强铝基复合材料粉末，并使用优化后的激光选区熔化工艺成形纳米级或亚纳米级六方氮化硼增强铝基复合材料；步骤如下：
步骤一：铸锭制备：采用中频感应炉熔炼制备铝基复合材料铸锭，首先将纯铝或铝基合金熔化，加入纳米级六方氮化硼，采用搅拌器充分搅拌，最终凝固后制备出纳米级或亚纳米级h-BN陶瓷均匀分布的铝基复合材料铸锭；
步骤二：粉末制备：采用气雾化制粉工艺将步骤一中的铸锭制备成铝基复合材料粉末，粉末要求外观浅灰色；
步骤三：激光选区熔化成形：采用激光选区熔化成形方法制备六方氮化硼增强铝基复合材料制件，工艺参数为：激光功率140W~180W，扫描速率500mm/s~900mm/s，层厚30μm~40μm，扫描间距0.12mm~0.14mm，制件经荧光和X射线检测无裂纹和未熔合缺陷；
步骤四：热处理：采用热处理炉对制件进行热处理，制度为270℃~290℃，保温2h~3h，空冷，以消除内应力。
2.一种制备权利要求1所述的可磨耗自润滑铝基复合材料的方法，其特征在于：
所述制备方法首先制备添加纳米级六方氮化硼的铝基复合材料铸锭，通过气雾化工艺制备纳米级六方氮化硼增强铝基复合材料粉末，并使用优化后的激光选区熔化工艺成形纳米级或亚纳米级六方氮化硼增强铝基复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：
步骤一：铸锭制备：采用中频感应炉熔炼制备铝基复合材料铸锭，首先将纯铝或铝基合金熔化，加入纳米级六方氮化硼，采用搅拌器充分搅拌，最终凝固后制备出纳米级或亚纳米级h-BN陶瓷均匀分布的铝基复合材料铸锭；
步骤二：粉末制备：采用气雾化制粉工艺将步骤一中的铸锭制备成铝基复合材料粉末，粉末要求外观浅灰色；
步骤三：激光选区熔化成形：采用激光选区熔化成形方法制备六方氮化硼增强铝基复合材料制件，工艺参数为：激光功率140W~180W，扫描速率500mm/s~900mm/s，层厚30μm~40μm，扫描间距0.12mm~0.14mm，制件经荧光和X射线检测无裂纹和未熔合缺陷；
步骤四：热处理：采用热处理炉对制件进行热处理，制度为270℃~290℃，保温2h~3h，空冷，以消除内应力。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤一中，铝基复合材料铸锭的密度为2.52~2.65g/cm3。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤二中，铝基复合材料粉末的粒度为15~53μm，粒径分布D10：15~20μm，D50：32~37μm，D90：50~58μm，球形度不低于85%，空心粉比例不超过0.5%，松装密度达到1.0~1.12g/cm3，振实密度达到1.375~1.54g/cm3。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，采用激光选区熔化成形方法制备的铝基复合材料制件中，六方氮化硼相均匀分布在铝基合金基体中，六方氮化硼相的尺寸在0.1nm~10nm。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：六方氮化硼相的尺寸在0.1nm~1nm。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述纯铝中铝含量≥99%，Fe+Si含量≤1%。
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