專利名稱：一種高溫自潤滑TiAl合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫自潤滑材料，特別涉及一種高溫自潤滑TiAl合金材料。
背景技術(shù)：
隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，高溫高速運動副的摩擦、磨損與潤滑問題已受到廣泛關(guān)注。TiAl系金屬間化合物具有比重輕、強度高的優(yōu)點，在高溫時仍可保持足夠高的強度和剛度，同時具有極高的抗氧化性，被認(rèn)為是航空用發(fā)動機及汽車中理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件材料，因而成為近年來人們研究開發(fā)的熱點。因此，以TiAl合金為基，開發(fā)出高溫自潤滑抗 磨材料，在工程中將具有廣闊的應(yīng)用前景；特別是可大幅度地提高運動副的動力學(xué)性能，具有重要的工程價值。為了改善TiAl合金的脆性，合金化是一種較為有效的方法。目前，對TiAl合金的研究，主要在室溫脆性、高溫抗氧化性、高溫強度及制備技術(shù)方面，在Ti-Al系合金基體中有添加固體潤滑劑來實現(xiàn)高溫下的自潤滑，但是以高溫自潤滑摩擦副為目的的研究報道很少。TiAl合金具有優(yōu)異的高溫性能和質(zhì)量輕的特點，如采用TiAl合金為基，開發(fā)出高溫自潤滑抗磨材料，將大幅度地改善高速運動副的動力學(xué)性能，具有寬闊的市場前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種高溫抗氧化性好、高溫自潤滑性能好、高溫強度高、耐磨性高、密度低的高溫自潤滑TiAl合金材料。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種高溫自潤滑TiAl合金材料，由以下重量百分比的材料組成TACN 材料80-99 %、共晶體1-20%;其中TACN材料由以下重量百分比的材料組成48%Ti、48%Al、2%Nl^P2%Cr ；共晶體由以下重量百分比的材料組成68% BaF2和32% CaF2。該高溫自潤滑TiAl合金材料，其優(yōu)選方案為由以下重量百分比的材料組成TACN 材料85-95 %、共晶體5-15%。該高溫自潤滑TiAl合金材料，其最佳方案為由以下重量百分比的材料組成TACN 材料90-95 %、共晶體5-10%。本發(fā)明高溫自潤滑TiAl合金材料的有益效果是密度低，密度僅為3. 64-3. 77g/cm3，是鎳基高溫合金的1/2，比鈦合金還低10% ;還具有高比強度，室溫約800°C時強度保持率達(dá)到80 % ;具有高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，可在760-8000C長期工作，具有良好的高溫自潤滑性能，耐磨性高，大大提高了高溫抗氧化性能，比其他普通TiAl合金的綜合性能提高很多，具有很大的應(yīng)用價值，由于TiAl合金輕質(zhì)特點且具有良好的高溫自潤滑性能，可以應(yīng)用于高速運動副構(gòu)件，以提高運動件的動力學(xué)性能，且在高溫環(huán)境下使用凸顯優(yōu)勢；在TiAl合金中，添加Cr能改善其室溫塑性，添加Cr后，可取代TiAl合金中的Al，有助于獲得低Al的Y相，同時降低了 α2相的穩(wěn)定性，使片層Ci2相變成粒狀，形成了新生的細(xì)小的Y+ α 2晶體，因而可顯著細(xì)化Y+ α 2雙相合金，從而提高TiAl合金的室溫塑性；Nb的加入，使共價電子數(shù)增加，可提高TiAl合金的強度，而同時加入Nb和Cr對提高TiAl合金的室溫塑性最有效；62% BaF2-38% CaF2共晶體因為有更低的熔點和剪切力，所以具有比使用單種CaF2或BaF2更好的潤滑性能，CaF2-BaF2共晶體固體潤滑劑化學(xué)穩(wěn)定性高，且不與基體合金發(fā)生反應(yīng)，在摩擦擠壓及熱應(yīng)力等作用下析出，并能夠拖覆在基體表面，形成一層較為完整的固體潤滑膜，對基體起到保護(hù)作用，從而減少摩擦磨損；添加氟化物中的單質(zhì)離子在材料中起到了顆粒彌散強化的作用，從而使強度提高，當(dāng)CB固體潤滑劑添加量達(dá)到5%時，其彎曲強度達(dá)到619MPa，斷裂韌性達(dá)到12. IMPa. m1/2，沒有添加CB固體潤滑劑的材料基體磨損率達(dá)到O. 34X I(T4Him3N4Iir1,而添加CB固體潤滑劑后材料的磨損率逐漸降低，當(dāng)潤滑劑含量為10%時，彎曲強度為605Mpa，斷裂韌性為11. 3MPa · m1/2，磨損率降到最低，達(dá) 到 O. 28 X 10 4Him3N 1Iii、


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖I為CaF2-BaF2 (CB)的添加量為O時TACN材料的XRD分析圖；圖2為本發(fā)明添加不同量CaF2-BaF2 (CB)的XRD分析圖； 圖3為CaF2-BaF2 (CB)的添加量為O時TACN材料的SEM分析圖；圖4 為本發(fā)明添加不同量 CaF2-BaF2 (CB)的 SEM 分析 (a) 5 % CB ； (b) 10% CB ；(c) 15% CB ； (d)20% CB0
具體實施例方式實施例I :本發(fā)明高溫自潤滑TiAl合金材料由以下重量百分比的材料組成TACN材料90 %和共晶體10% ;其中TACN材料由以下重量百分比的材料組成48% Ti,48% Al,2% Nb和2% Cr (以下簡稱48Ti-48Al-2Nb-2Cr);共晶體由以下重量百分比的材料組成68%BaFjP32% CaF2 (以下簡稱 68% BaF2-32% CaF2 共晶體)。本發(fā)明采用TACN 材料(48Ti-48Al-2Nb-2Cr)為基，以 68% BaF2-32% CaF2 共晶體作為固體潤滑劑，68% BaF2-32% CaF2共晶體在高溫下能有效地形成表面潤滑膜，以降低其摩擦阻力。本發(fā)明高溫自潤滑TiAl合金材料的制備方法，包括如下步驟①選用Ti、Al、Nb、Cr粉末按原子配比48Ti-48Al-2Nb_2Cr混合，再加入68%BaF2-32 % CaF2共晶體固體潤滑劑，添加量分別為68 % BaF2_32 % CaF2共晶體IOwt %、48Ti-48Al-2Nb-2Cr 90wt%，利用XQM-2型變頻行星式球磨機對混合粉末進(jìn)行球磨；②將球磨好的粉末在YE-2000型液壓式壓力試驗機上冷壓成型，成型壓力為400KN，制得成型好的冷壓試樣，用于下一步進(jìn)行燒結(jié)；③將步驟②制得的冷壓試樣在烘干箱中經(jīng)200°C烘干處理，然后在HZK-30型真空熱壓爐中熱壓成型，其真空熱壓燒結(jié)工藝為燒結(jié)溫度1200°C、保溫30min、燒結(jié)壓力30MPao通過上述步驟可以制得本發(fā)明的高溫自潤滑TiAl合金材料，在成品中，固體潤滑劑在摩擦擠壓及熱應(yīng)力等作用下析出，并能夠拖覆在基體表面，形成一層較為完整的固體潤滑膜，對基體起到保護(hù)作用，從而減少摩擦磨損；添加氟化物中的單質(zhì)離子在材料中起到了顆粒彌散強化的作用，從而使強度提高。實施例2:本實施例與實施例I的不同之處在于，本發(fā)明的高溫自潤滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 80%,68% BaF2-32% CaF2 共晶體 20%。實施例3
本實施例與實施例I的不同之處在于，本發(fā)明的高溫自潤滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 95%,68% BaF2-32% CaF2 共晶體 5%。實施例4 本實施例與實施例I的不同之處在于，本發(fā)明的高溫自潤滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 85%,68% BaF2-32% CaF2 共晶體 15%。實施例5 本實施例與實施例I的不同之處在于，本發(fā)明的高溫自潤滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 99%,68% BaF2-32% CaF2 共晶體 1%。實施例6 本實施例與實施例I的不同之處在于，本發(fā)明的高溫自潤滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 93%,68% BaF2-32% CaF2 共晶體 7%。具體實驗過程如下本發(fā)明采用TACN材料為基，選用Ti、Al、Nb、Cr粉末按原子配比48Ti-48Al-2Nb-2Cr混合，再加入68% BaF2-32% CaF2共晶體(以下簡稱CB)固體潤滑劑，CB的添加量分別取0、5、10、15、20wt%，TACN材料的取量與CB配合。本發(fā)明高溫自潤滑TiAl合金材料，其優(yōu)選配比為含有5_10被％的CB。TiAl系金屬間化合物具有比重輕、強度高的優(yōu)點，在高溫時仍可保持足夠高的強度和剛度，同時具有極高的抗氧化性，被認(rèn)為是航空用發(fā)動機及汽車中理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)件材料。在TiAl合金材料中，添加Cr能改善其室溫塑性，在合金中添加少量Nb是提高TiAl合金材料抗氧化性能的有效方法，在實驗溫度為1000°C、氧化時間為IOOh時，二元TiAl合金材料的氧化質(zhì)量增重達(dá)到了 68. 86mg/cm2。Nb的加入,使共價電子數(shù)增加,可提高TiAl合金材料的強度，而同時加入Nb和Cr對提高TiAl合金材料的室溫塑性最有效?；诖耍景l(fā)明選擇TACN材料作為高溫自潤滑TiAl合金材料的基體材料。氟化物具有高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，在加到復(fù)合材料中時仍保持著自己的原始性能。CaF2和BaF2W 500°C開始具有潤滑性，在高溫下它們具有相當(dāng)高的抗氧化能力，可以使用到900°C而不會因氧化失效。同時，CaF2和BaF2在惰性和還原性氣氛中的潤滑效果與大氣中相同。62% BaF2-38% CaF2共晶體因為有更低的熔點和剪切力，所以具有比使用單種CaF2或BaF2更好的潤滑性能。CaF2-BaF2共晶體固體潤滑劑化學(xué)穩(wěn)定性高，且不與基體合金發(fā)生反應(yīng)，是制備自潤滑材料時的首選。在TACN基體材料上添加CB固體潤滑劑達(dá)5%時，其合金的硬度、抗彎強度和斷裂韌性最高，抗高溫氧化性能最好；當(dāng)CB為10%時，其合金的磨損率最低，潤滑膜最完整；當(dāng)CB達(dá)到15%時，摩擦系數(shù)最低。但作為摩擦學(xué)零件，綜合考慮，添加10% CB的高溫自潤滑TiAl合金材料應(yīng)為最佳選擇。本發(fā)明是將比重輕、強度高的TACN材料與62% BaF2-38 % CaF2共晶體復(fù)合，形成以TACN材料為主導(dǎo)的新型高溫自潤滑材料。該高溫自潤滑TiAl合金材料密度僅為3.64-3. 77g/cm3，是鎳基高溫合金的1/2，比鈦合金還低10% ;還具有高比強度，室溫約800°C時強度保持率達(dá)到80%;具有高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，可在760-800°C長期工作，本發(fā)明高溫自潤滑TiAl合金材料既具有普通高溫合金的高溫抗氧化性好、高溫強度高、耐磨性高等優(yōu)點，而且質(zhì)量輕、具有良好的高溫自潤滑性能。由于其輕質(zhì)特點，TiAl合金材料可以應(yīng)用于高速運動副構(gòu)件，以提高運動件的動力學(xué)性能，且在高溫環(huán)境下使用凸顯優(yōu)勢。本發(fā)明選用Ti、Al、Nb、Cr粉末按原子配比48Ti-48Al-2Nb_2Cr混合，再加入68%BaF2-32% CaF2共晶體固體潤滑劑，添加量分別為0、5、10、15、20wt%，利用XQM-2型變頻行星式球磨機對混合粉末進(jìn)行球磨，球磨罐轉(zhuǎn)速為300r/min,實驗工作參數(shù)為F6,球磨罐材質(zhì)為GCrl5軸承鋼，球磨罐采用O形橡膠圈密封，球磨介質(zhì)為Al2O3球，Al2O3磨球的直徑分別為10、5、3_，球粉比為10 1 ；將球磨好的粉末在YE-2000型液壓式壓力試驗機上冷壓成型，成型壓力為400KN，選用的壓頭直徑為30mm，保壓時間為10-15s，將粉末壓制成餅狀，其厚度在8mm左右，制得冷壓試樣；冷壓成型之后，將冷壓試樣放入烘干箱中經(jīng)200°C烘干處理，然后在HZK-30型真空熱壓爐中熱壓成型，自潤滑TiAl合金材料的合理的真空熱壓燒結(jié)工藝規(guī)范為燒結(jié)溫度1200°C，保溫30min，燒結(jié)壓力為30MPa。實驗所用材料見表1表1試驗材料
權(quán)利要求
1.一種高溫自潤滑TiAl合金材料，其特征是由以下重量百分比的材料組成 TACN 材料80-99%、 共晶體:1-20% ； 其中TACN材料由以下重量百分比的材料組成48 % Ti、48 % Al、2 % Nb和2 % Cr ;共晶體由以下重量百分比的材料組成68% BaF2和32% CaF2。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高溫自潤滑TiAl合金材料，其特征是由以下重量百分比的材料組成 TACN 材料85-95%、 共晶體5-15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種高溫自潤滑TiAl合金材料，其特征是由以下重量百分比的材料組成 TACN 材料90-95%、 共晶體:5-10%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫自潤滑材料，特別公開了一種高溫自潤滑TiAl合金材料。該高溫自潤滑TiAl合金材料，由以下重量百分比的材料組成TACN材料80-99％、共晶體1-20％；其中TACN材料由以下重量百分比的材料組成48％Ti、48％Al、2％Nb和2％Cr；共晶體由以下重量百分比的材料組成68％BaF2和32％CaF2。本發(fā)明的有益效果是具有良好的高溫自潤滑性能，強度高，耐磨性高，密度低，大大提高了高溫抗氧化性能，綜合性能提高很多，具有很大的應(yīng)用價值，由于TiAl合金輕質(zhì)特點且具有良好的高溫自潤滑性能，可以應(yīng)用于高速運動副構(gòu)件，以提高運動件的動力學(xué)性能，且在高溫環(huán)境下使用凸顯優(yōu)勢。
文檔編號C22C32/00GK102851563SQ20121039367
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者楊麗穎, 王守仁, 王硯軍, 王秀玲, 于航海 申請人:濟(jì)南大學(xué)