CN115341127A - 一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高熵合金技术领域，尤其涉及一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用。本发明提供了一种自润滑高熵合金，包括Co、Cr、Fe、Ni和Re；所述Co、Cr、Fe、Ni和Re的原子比为(10～40)：(10～40)：(10～40)：(10～40)：(5～30)。所述自润滑高熵合金在具有较好力学性能的同时，在一定温度范围内具有较好的自润滑性能。

Description

一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高熵合金技术领域，尤其涉及一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用。
背景技术
金属基高温自润滑材料可作为高温滑动轴承、轴套、衬套和导轨等高温自润滑运动零部件广泛应用于航天、航空和武器装备等领域，是国防高技术领域的关键材料之一。金属基高温自润滑材料一般是在金属基体中加入固体润滑剂和耐磨相制备而成的复合材料，固体润滑剂一般是石墨、二硫化钼、共晶氟化物和软金属银等，耐磨相一般为硬质陶瓷颗粒。然而，由于固体润滑剂和耐磨相与基体金属材料之间存在界面结合较差的问题，使金属基自润滑复合材料难以兼具良好的力学性能和摩擦磨损性能，已成为影响该类材料性能进一步提升的关键问题。
高熵合金是一类新型金属材料，通常由高浓度的多种金属元素组成，具有简单的面心立方(FCC)、体心立方(BCC)或密排六方(HCPP)的相结构，但具有优良的力学性能，是一类极具开发潜力的金属材料。与常规金属材料相比，由于高熵效应、迟滞扩散效应和严重晶格畸变效应的共同作用，高熵合金具有良好的高温组织结构稳定性、高温力学性能和高温耐磨性能，在高温摩擦学领域具有良好的应用前景。此外，高熵合金成分设计范围较宽，可通过在其中引入特定的元素，优化设计其组分，来提高其相应性能。然而，迄今为止，目前还未见关于自润滑高熵合金的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种自润滑高熵合金及其制备方法和应用，所述自润滑高熵合金在具有较好力学性能的同时，在一定温度范围内具有较好的自润滑性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种自润滑高熵合金，包括Co、Cr、Fe、Ni和Re；
所述Co、Cr、Fe、Ni和Re的原子比为(10～40)：(10～40)：(10～40)：(10～40)：(5～30)。
优选的，还包括Al、Cu和C中的一种或几种。
优选的，所述Co、Al、Cu和C的原子比为(10～40)：(0～30)：(0～30)：(0～10)，且所述Al、Cu和C的原子量不同时为0。
本发明还提供了上述技术方案所述自润滑高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
采用电弧熔炼或感应熔炼的方法，按照所述自润滑高熵合金的组成，将Co、Cr、Fe、Ni和Re单质混合后进行熔炼，得到所述自润滑高熵合金。
优选的，所述熔炼的次数≥1次；每次熔炼的温度独立≥2000℃，时间独立≥1min。
本发明还提供了上述技术方案所述自润滑高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
按照所述自润滑高熵合金的组成，将Co、Cr、Fe、Ni和Re单质混合后，进行烧结，得到所述自润滑高熵合金。
优选的，所述烧结的方式为放电等离子烧结或真空热压烧结。
优选的，所述烧结的温度≥1300℃，时间≥20min，压力≥30MPa。
本发明还提供了上述技术方案所述自润滑高熵合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的自润滑高熵合金在高温耐磨自润滑部件中的应用。
本发明提供了一种自润滑高熵合金，包括Co、Cr、Fe、Ni和Re；所述Co、Cr、Fe、Ni和Re的原子比为(10～40)：(10～40)：(10～40)：(10～40)：(5～30)。本发明在本身具有良好高温力学性能和耐磨性能的高熵合金中引入特定的合金元素Re，使其在高温摩擦过程中与大气中的氧等元素发生原位化学反应，使其在表面形成一层具有一定减摩抗磨功能的氧化物反应层，从而使其具有自润滑性能。与常规的金属基自润滑复合材料相比，本发明所述的自润滑高熵合金具有较好的力学性能，并且在高温下具有良好的自润滑性能和减摩抗磨性能。同时，本发明所述的自润滑高熵合金属于一个整体的均一材料，在其中未添加固体润滑剂和耐磨相，不存在界面结合问题，使其兼具塑韧性和高强度，具有良好的综合力学性能，保证了其在高温、重载、冲击和高速等苛刻工况下服役的安全性。由于其中添加的Co、Cr、Fe、Ni和Re等特定的合金元素在高温摩擦过程中能够形成一层具有减摩抗磨作用的自润滑摩擦层，使其具有良好的高温摩擦学性能，能够作为高温耐磨自润滑部件应用在高温和重载等极端苛刻工况中。
附图说明
图1为实施例1所述自润滑高熵合金的XRD图；
图2为实施例1所述自润滑高熵合金的SEM图；
图3为实施例2所述自润滑高熵合金的XRD图；
图4为实施例2所述自润滑高熵合金的SEM图；
图5为实施例3所述自润滑高熵合金的XRD图；
图6为实施例3所述自润滑高熵合金的显微组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种自润滑高熵合金，包括Co、Cr、Fe、Ni和Re；
所述Co、Cr、Fe、Ni和Re的原子比为(10～40)：(10～40)：(10～40)：(10～40)：(5～30)。
在本发明中，所述Co、Cr、Fe、Ni和Re的原子比为(10～40)：(10～40)：(10～40)：(10～40)：(5～30)，优选为(15～35)：(15～35)：(15～35)：(10～20)，更优选为(20～30)：(20～30)：(20～30)：(13～16)。
在本发明中，所述自润滑高熵合金还包括Al、Cu和C中的一种或几种；所述Co、Al、Cu和C的原子比为(10～40)：(0～30)：(0～30)：(0～10)，优选为(15～35)：(10～20)：(10～20)：(2～8)，更优选为(20～30)：(13～16)：(13～16)：(3～6)。且所述Al、Cu和C的原子量不同时为0。
在本发明中，所述自润滑高熵合金能够形成以FCC相和BCC相为基体的高熵合金，该基体上均匀分布着以Laves相等金属间化合物为主的强化相。其中Co、Cr、Fe、Ni和Re元素的配比关系可以保证制备得到的合金室温硬度在300HV以上，断裂韧性高于15MPa·m0.5，在900℃的高温下的硬度在200HV以上，本发明借助具有大原子半径的Al元素的置换固溶效应，以及非金属C元素的间隙固溶强化效应和形成非金属化合物的第二相强化效应，使其强度、硬度、抗氧化性能、耐磨性能和自润滑性能得到显著提升，Cu元素可以使合金具有较好的塑性和韧性，其室温压缩断裂应变在20％以上，室温下的断裂韧性高于20MPa·m0.5；采用非金属元素C元素的间隙固溶强化和形成非金属化合物的第二相强化效应，使其强度、硬度和耐磨性能得到显著提升。
本发明还提供了上述技术方案所述自润滑高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
采用电弧熔炼或感应熔炼的方法，按照所述自润滑高熵合金的组成，将Co、Cr、Fe、Ni和Re单质混合后进行熔炼，得到所述自润滑高熵合金。
在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述熔炼的次数优选≥1次，更优选为5～10次；每次熔炼的温度独立优选≥2000℃，更优选为2000～2500℃；时间独立优选≥1min，更优选为2～5min。在本发明中，所述熔炼优选在真空或保护气氛中进行，所述保护气氛优选为氩气气氛。
当所述自润滑高熵合金中还包括Al、Cu和C中的一种或几种时，所述混合的原料还优选包括Al、Cu和C单质中的一种或几种。在本发明中，Co、Cr、Fe、Ni、Re、Al、Cu和C单质的纯度均优选≥99.5％。
本发明还提供了上述技术方案所述自润滑高熵合金的制备方法，包括以下步骤：
按照所述自润滑高熵合金的组成，将Co、Cr、Fe、Ni和Re单质混合后，进行烧结，得到所述自润滑高熵合金。
在本发明中，所述烧结的方式优选为放电等离子烧结或真空热压烧结。
在本发明中，所述烧结的温度优选≥1300℃，更优选为1350～1380℃；时间优选≥20min，更优选为20～30min；压力优选≥30MPa，更优选为30～35MPa。
当所述自润滑高熵合金中还包括Al、Cu和C中的一种或几种时，所述混合的原料还优选包括Al、Cu和C单质中的一种或几种。在本发明中，Co、Cr、Fe、Ni、Re、Al、Cu和C单质的纯度均优选≥99.5％。
本发明还提供了上述技术方案所述自润滑高熵合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的自润滑高熵合金在高温耐磨自润滑部件中的应用。
在本发明中，所述应用的方法优选包括以下步骤：
在400～900℃的温度环境中，将所述自润滑高熵合金与镍基高温合金作为摩擦配副或将所述自润滑高熵合金与工程陶瓷作为摩擦配副。
在本发明中，所述镍基高温合金优选为GH4169或GH3536高温合金；所述工程陶瓷优选为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷。
在本发明中，所述高温自润滑部件的平均摩擦系数优选<0.3，磨损率优选<10-5mm/(N·m)的数量级，具有优良的高温减摩抗磨性能。
下面结合实施例对本发明提供的自润滑高熵合金及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
自润滑高熵合金的组成：按照原子百分比计：Al：Co：Cr：Fe：Ni：Re＝12％：20％：20％：20％：20％：8％；
制备方法：将纯度均高于99.5％的Al、Co、Cr、Fe、Ni和Re混合，总重量为200g，在真空或氩气气氛下，在电弧熔炼炉中进行熔炼，所述熔炼的次数为5，温度为2500℃，每次熔炼的时间为2min，得到所述自润滑高熵合金；
图1为所述自润滑高熵合金的XRD图，由图1可知，所述自润滑高熵合金主要由FCC、BCC和Laves相组成；
图2为所述自润滑高熵合金的SEM图，由图2可知，所述自润滑高熵合金为典型的多相组织形成的枝晶结构，其中包含FCC、BCC和Laves相；
采用维氏硬度计测试了该自润滑高熵合金的室温硬度和900℃的高温硬度，采用万能材料试验机测试所述自润滑高熵合金的压缩力学性能，测试结果如表1所示：
表1所述自润滑高熵合金的力学性能参数
Figure BDA0003853787540000051
Figure BDA0003853787540000061
由表1可知，所述自润滑高熵合金具有良好的强度、塑性和断裂韧性，尤其是其断裂韧性高于20MPa·m0.5，显示出优良的强韧性；
采用HT-1000型高温摩擦磨损试验机测试了所述自润滑高熵合金与氮化硅陶瓷球配副时的摩擦学性能，测试时载荷10N，滑动速度为0.3m/s，滑动距离为1000m，温度分别为室温(25℃)、200℃、400℃、600℃、800℃和900℃，测试结果如表2所示：
表2所述自润滑高熵合金的力学性能参数
测试温度(℃) 摩擦系数 磨损率(mm<sup>3</sup>/N·m)
25 0.52 7.81×10<sup>-5</sup>
200 0.45 6.77×10<sup>-5</sup>
400 0.25 2.36×10<sup>-5</sup>
600 0.23 1.15×10<sup>-5</sup>
800 0.21 0.65×10<sup>-5</sup>
900 0.19 0.32×10<sup>-5</sup>
由表2可知，所述自润滑高熵合金在400℃以上的具有较低的摩擦系数和磨损率，显示出良好的高温减摩抗磨性能。
实施例2
自润滑高熵合金的组成：按照原子百分比计：Co：Cr：Fe：Ni：Re：Cu＝22％：22％：22％：22％：5％：7％；
制备方法：将纯度均高于99.5％，粒径均小于120μm的Co、Cr、Fe、Ni、Re和Cu混合，总重量为100g，在放电等离子烧结炉中进行烧结，所述烧结的温度为1380℃，时间为30min，压力为30MPa，得到所述自润滑高熵合金；
图3为所述自润滑高熵合金的XRD图，由图3可知，所述自润滑高熵合金主要由FCC、BCC和有序BCC相组成；
图4为所述自润滑高熵合金的SEM图，由图4可知，所述自润滑高熵合金由典型的条带状组织组成，其中包括FCC、BCC和有序BCC相；
采用维氏硬度计测试了该自润滑高熵合金的室温硬度和900℃的高温硬度，采用万能材料试验机测试所述自润滑高熵合金的压缩力学性能，测试结果如表3所示：
表3所述自润滑高熵合金的力学性能参数
室温硬度 353HV
900℃高温硬度 203HV
室温压缩屈服强度 1106MPa
室温抗压强度 2130MPa
室温压缩断裂应变 26％
室温断裂韧性 43MPa·m<sup>0.5</sup>
由表3可知，所述自润滑高熵合金的室温压缩断裂应变高于25％，室温断裂韧性高于40MPa·m0.5，显示出优良的室温塑性和断裂韧性；
采用HT-1000型高温摩擦磨损试验机测试了所述自润滑高熵合金与氮化硅陶瓷球配副时的摩擦学性能，测试时载荷10N，滑动速度为0.3m/s，滑动距离为1000m，温度分别为室温(25℃)、200℃、400℃、600℃、800℃和900℃，测试结果如表4所示：
表4所述自润滑高熵合金的力学性能参数
测试温度(℃) 摩擦系数 磨损率(mm<sup>3</sup>/N·m)
25 0.47 9.06×10<sup>-5</sup>
200 0.41 9.75×10<sup>-5</sup>
400 0.27 6.32×10<sup>-5</sup>
600 0.22 3.23×10<sup>-5</sup>
800 0.19 1.26×10<sup>-5</sup>
900 0.18 0.97×10<sup>-5</sup>
由表4可知，所述自润滑高熵合金在400℃以上的具有较低的摩擦系数和磨损率，显示出良好的高温减摩抗磨性能。
实施例3
自润滑高熵合金的组成：按照原子百分比计：Al：Co：Cr：Fe：Ni：Re：C＝5％：18％：18％：16％：25％：15％:3％；
制备方法：将纯度均高于99.5％，Al、Co、Cr、Fe、Ni、Re和C混合，总重量为300g，装入氧化铝坩埚中，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，在真空条件下(真空度小于5.0×10-3Pa)，所述熔炼的次数为10次，温度为2000℃，每次熔炼的时间为5min，得到所述自润滑高熵合金；
图5为所述自润滑高熵合金的XRD图，由图3可知，所述自润滑高熵合金主要由FCC、BCC、有序BCC和Laves相组成，由于C元素的含量较少，合金中未检测出碳化物相；
图6为所述自润滑高熵合金的显微组织，由图6可知，FCC相互连接形成合金的基体，BCC、有序BCC和Laves相呈颗粒状分布于FCC基体上；
采用维氏硬度计测试了该自润滑高熵合金的室温硬度和900℃的高温硬度，采用万能材料试验机测试所述自润滑高熵合金的压缩力学性能，测试结果如表5所示：
表5所述自润滑高熵合金的力学性能参数
室温硬度 479HV
900℃高温硬度 312HV
室温压缩屈服强度 1456MPa
室温抗压强度 1963MPa
室温压缩断裂应变 17％
室温断裂韧性 21MPa·m<sup>0.5</sup>
由表5可知，所述自润滑高熵合金具有高强度和高硬度，室温下的屈服强度达到了1400MPa以上，硬度达到了479HV，在900℃的高温下硬度仍然保持在300HV以上，具有优良的强度和硬度；
采用HT-1000型高温摩擦磨损试验机测试了所述自润滑高熵合金与氮化硅陶瓷球配副时的摩擦学性能，测试时载荷10N，滑动速度为0.3m/s，滑动距离为1000m，温度分别为室温(25℃)、200℃、400℃、600℃、800℃和900℃，测试结果如表6所示：
表6所述自润滑高熵合金的力学性能参数
测试温度(℃) 摩擦系数 磨损率(mm<sup>3</sup>/N·m)
25 0.65 2.36×10<sup>-5</sup>
200 0.63 3.69×10<sup>-5</sup>
400 0.29 1.05×10<sup>-5</sup>
600 0.26 0.91×10<sup>-5</sup>
800 0.25 0.65×10<sup>-5</sup>
900 0.23 0.39×10<sup>-5</sup>
由表6可知，所述自润滑高熵合金在400℃以上摩擦系数低于0.3，并且具有优良的耐磨性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自润滑高熵合金，其特征在于，包括Co、Cr、Fe、Ni和Re；
所述Co、Cr、Fe、Ni和Re的原子比为(10～40)：(10～40)：(10～40)：(10～40)：(5～30)。
2.如权利要求1所述的自润滑高熵合金，其特征在于，还包括Al、Cu和C中的一种或几种。
3.如权利要求2所述的自润滑高熵合金，其特征在于，所述Co、Al、Cu和C的原子比为(10～40)：(0～30)：(0～30)：(0～10)，且所述Al、Cu和C的原子量不同时为0。
4.权利要求1～3任一项所述自润滑高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用电弧熔炼或感应熔炼的方法，按照所述自润滑高熵合金的组成，将Co、Cr、Fe、Ni和Re单质混合后，进行熔炼，得到所述自润滑高熵合金。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的次数≥1次；
每次熔炼的温度独立≥2000℃，时间独立≥1min。
6.权利要求1～3任一项所述自润滑高熵合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照所述自润滑高熵合金的组成，将Co、Cr、Fe、Ni和Re单质混合后，进行烧结，得到所述自润滑高熵合金。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的方式为放电等离子烧结或真空热压烧结。
8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度≥1300℃，时间≥20min，压力≥30MPa。
9.权利要求1～3任一项所述自润滑高熵合金或权利要求4～8任一项所述制备方法制备得到的自润滑高熵合金在高温耐磨自润滑部件中的应用。
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