一種高強度鎳基高溫自潤滑復合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高強度鎳基高溫自潤滑復合材料的制備方法。復合材料通過熱壓燒結技術制備。復合材料在低溫至900℃下具有低摩擦磨損與高強度的特性。材料適合制作高溫軸承、軸襯、滑塊、密封件等在低溫至900℃下使用的高溫機構潤滑部件，在航空、冶金和機械等領域，具有廣泛的應用前景。
【專利說明】一種高強度鎳基高溫自潤滑復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高強度鎳基高溫自潤滑復合材料的制備方法，材料的特點是同時具有高強度和優(yōu)異潤滑性，可以在低溫至900°c下使用。
【背景技術】
[0002]航空航天、冶金、機械、汽車和核動力等現(xiàn)代工業(yè)對室溫至高溫的寬溫度范圍具有連續(xù)潤滑的材料和技術具有巨大的需求。涉及到700°C甚至更高溫度的高溫運動部件的潤滑問題越來越多。當機械運動部件處在高于400°C的溫度，其潤滑和耐磨問題成為整個系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定運行的關鍵。目前，解決高溫潤滑問題主要通過自潤滑涂層和自潤滑復合塊體材料兩種方法。傳統(tǒng)的自潤滑復合涂層，由于涂層與基底結合力較弱、熱膨脹匹配性差或涂層厚度太薄，不能滿足較為苛刻條件下的使用要求。固體潤滑劑的添加將顯著降低材料的強度，高溫自潤滑復合材料很難達到力學性能和自潤滑性的統(tǒng)一，難以滿足實際應用要求。
[0003]目前國內(nèi)外公開報道的高溫自潤滑材料或者強度較低或者潤滑性不佳，不能滿足實際使用要求。美國專利US5034187公開了一種PM200系列高溫自潤滑復合材料，在室溫至900°C，與一種鎳鈷鉻合金配副的摩擦系數(shù)較低，在0.30-0.35之間，但室溫壓縮強度低于200MPa。NASA報道的PS304自潤滑涂層，在室溫至650°C下與Inconel X-750高溫合金配副的摩擦系數(shù)在 0.23-0.31 (NASA/TM—2009_215678)。中國專利 CN102102155A 公開了一種鎳鋁/石墨的自潤滑材料，與Al3O3配副時，25°C摩擦系數(shù)在0.31-0.37，600°C摩擦系數(shù)在0.42-0.48，摩擦系數(shù)較高。中國專利CN101463439B公開了一種Ni3Al基高溫自潤滑復合材料，與Si3N4對磨，室溫至1000°C摩擦系數(shù)小于0.35，潤滑性和力學性能均較好。通過無壓燒結制備的PM304復合材料，與Inconel X-750高溫合金配副，室溫至800°C摩擦系數(shù)在 0.32-0.40，但室溫拉伸強度小于 50MPa (Composites: Part A 38 (2007) 348 - 352 ；Wear)ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種同時具有高強度和低摩擦磨損的高溫鎳基自潤滑復合材料，材料在低溫至900 V寬溫域范圍具有低摩擦、高抗磨、高強度、抗氧化和長壽命的優(yōu)點，具有真正的實用價值。
[0005]鎳基合金是性能最優(yōu)異的高溫合金，作為高溫材料已經(jīng)獲得了非常廣泛的應用，我們選擇作為基體的鎳基合金，通過添加了高含量的高熔點鑰和鎢合金元素，提高了合金的低溫和高溫強度、抗蠕變性和抗磨損性能，通過采用熱壓燒結技術制備出高致密度的復合材料，實現(xiàn)材料同時具有高強度和優(yōu)異潤滑性。
[0006]一種高強度鎳基高溫自潤滑復合材料的制備方法，其特征在于該復合材料的制備方法包括:按照質(zhì)量百分比Ag8-15%、BaF2與CaF2組成的共晶物8_15%、Cr2035_15以及余量的鎳基合金，分別稱取各粉末物料，在高能球磨機中200-300轉/分的速度下混合4-8小時得到復合粉末，將復合粉末裝入石墨模具，然后置于真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，燒結參數(shù)為:真空小于1.0 X KT1Pa,升溫速率15-20°c /min，燒結溫度1000-1200°C，施加壓力
5-20MPa,保溫時間30-60min。燒結結束后，冷卻至室溫后得到鎳基高溫自潤滑復合材料。
[0007]本發(fā)明的鎳基合金為霧化合金粉末，組成為Crl0_15wt%、Mo4_12wt%、W3_8wt%、Ti2-5%及余量。
[0008]本發(fā)明所述的共晶物由BaF262wt%以及CaF2 38wt%組成。
[0009]采用掃描電鏡分析材料的組織形貌。用顯微硬度計測試材料的硬度，測定條件為，載荷300 g，加載持續(xù)時間10 S。采用三點彎曲試驗測定了材料的抗彎強度，試樣尺寸為30mmX 3mmX 3mm,跨距為25mm,壓頭下移速度為0.5mm/min。壓縮強度測試的試樣尺寸為Φ 3mmX4.5mm,壓頭下移速度為0.06mm/min。用自制的高溫摩擦磨損試驗機評價材料的摩擦磨損性能，采用栓-盤接觸模式，制備材料作為盤試樣，摩擦對偶為GH4169高溫合金栓，滑動速度為1.0m/s，載荷為10N，試驗時間為20min，測試溫度為室溫、200°C、400°C、60(rC、800°C、90(TC。彎曲和壓縮強度、摩擦系數(shù)、磨損率結果均取3次試驗平均值。
[0010]本發(fā)明的特點之一是，材料致密度高，潤滑相和抗磨相在基體中分布均勻，且與基體結合良好，材料組織結構均勻，如附圖1所示。
[0011]本發(fā)明的特點之二是，材料耐熱性好、氧化穩(wěn)定性高。
[0012]本發(fā)明的特點之三是，材料低溫至900°C呈現(xiàn)低摩擦和磨損，如附圖2和附圖3所示。在各溫度段摩擦系數(shù)穩(wěn)定，如附圖4所示600°C下的代表性摩擦曲線。
[0013]本發(fā)明的特點之四是，材料具有高強度，室溫壓縮強度為1350_1550MPa，室溫彎曲強度為1000-1200MPa，材料硬度為3.2-3.8GPa。
[0014]復合材料同時具有低摩擦磨損與高強度的特性。材料適合制作高溫軸承、軸襯、滑塊、密封件等在低溫至900°C下使用的高溫機構潤滑部件，在航空、冶金、機械等領域，具有廣泛的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明制備材料的組織結構照片。材料致密、組織結構均勻、晶粒細小、潤滑相在基體中分布均勻。
[0016]圖2為本發(fā)明制備材料摩擦系數(shù)隨溫度變化曲線。平均摩擦系數(shù)在室溫至900°C低于0.25，且摩擦系數(shù)隨溫度變化較小。
[0017]圖3為本發(fā)明制備材料磨損率隨溫度變化曲線。磨損率在10_5mm3/Nm至10_4mm3/Nm量級，隨溫度的升高而升高，材料抗磨損性能較好。
[0018]圖4為本發(fā)明制備材料在600°C下的摩擦系數(shù)隨時間變化的代表性曲線。摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定。
【具體實施方式】
[0019]實施例1:
按照質(zhì)量百分比為:AglO%、BaF2與CaF2共晶物10%、Cr20310%、鎳基合金70%，分別稱取各粉末物料，其中鎳基合金成分為:70N1-15Cr-8Mo-5W-2Ti。在高能球磨機中200轉/分的速度下混合6小時得到復合粉末，將復合粉末裝入石墨模具，然后置于真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，燒結參數(shù)為:真空為0.8 X KT1Pa,升溫速率20°C /min，燒結溫度1100°C，施加壓力20MPa，保溫時間30min。燒結結束后，材料隨爐冷卻至室溫取出。
[0020]材料的室溫壓縮強度為1515MPa，彎曲強度為1128MPa，硬度為3.48GPa，室溫至900°C平均摩擦系數(shù)和磨損率如下表1所示。
[0021]表1:實施例1材料摩擦系數(shù)與磨損率
【權利要求】
1.一種高強度鎳基高溫自潤滑復合材料的制備方法，其特征在于該復合材料的制備方法包括:按照質(zhì)量百分比Ag8-15%、BaF2與CaF2組成的共晶物8_15%、Cr2035_15以及余量的鎳基合金，分別稱取各粉末物料，在高能球磨機中200-300轉/分的速度下混合4-8小時得到復合粉末，將復合粉末裝入石墨模具，然后置于真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，燒結參數(shù)為:真空小于1.0 X KT1Pa,升溫速率15-20°C /min，燒結溫度1000-1200°C，施加壓力5-20MPa,保溫時間30-60min，燒結結束后，冷卻至室溫后得到鎳基高溫自潤滑復合材料。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于鎳基合金為霧化合金粉末，組成為Crl0-15wt%、Mo4-12wt%、W3_8wt%、Ti2-5% 及余量。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于共晶物由BaF262wt%以及CaF238wt%組成。
【文檔編號】C22C1/05GK103540780SQ201210240157
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月12日 優(yōu)先權日:2012年7月12日
【發(fā)明者】楊軍, 劉維民, 馬吉強, 畢秦嶺, 李斐, 符立才, 朱圣宇 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所