本發(fā)明涉及一種以Ti₃SiC₂為潤滑相的M50基自潤滑復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

M50軸承鋼由于在高溫環(huán)境中能保持高的尺寸穩(wěn)定性，硬度和接觸疲勞性能，所以常常被用來制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承。隨著現(xiàn)代航空事業(yè)的不斷發(fā)展，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承提出了更高的要求，同時(shí)對M50軸承鋼的摩擦學(xué)性能提出了挑戰(zhàn)。

目前，關(guān)于M50基自潤滑復(fù)合材料的研究尚未見報(bào)道，并且目前對于金屬基自潤滑復(fù)合材料的制備主要還是采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)([4]史曉亮，徐增師，王莽，翟文正，章橋新，姚杰，宋思遠(yuǎn)，王玉伏，馮四平，張崧.TiAl-C-Ag-Ti₂AlC-TiC自潤滑復(fù)合材料及其制備方法[P].湖北：CN102888549A,2013-1-23.)。但放電等離子燒結(jié)技術(shù)有其不足之處，如：放電等離子技術(shù)采用了石墨模具，使得燒結(jié)體最終要進(jìn)行打磨等工藝，并且利用放電等離子技術(shù)制得的燒結(jié)體形狀較簡單。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種以Ti₃SiC₂為潤滑相的M50基自潤滑復(fù)合材料及其制備方法，具有較低的摩擦系數(shù)與磨損率，有效地提高了M50軸承鋼的摩擦學(xué)性能。

本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術(shù)方案為：

一種新型M50基自潤滑復(fù)合材料，主要包括基體材料和潤滑相，它以M50鋼為基體材料，以Ti₃SiC₂為潤滑相。

按上述方案，所述潤滑相的質(zhì)量為基體材料質(zhì)量的(8.0-12.0)wt.％.

按上述方案，所述基體材料M50鋼主要包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe等。優(yōu)選地，本發(fā)明中所述基體材料M50鋼中各元素按質(zhì)量百分比計(jì)為：C 0.75-0.85％，Mn≤0.35％，Si≤0.35％，Ni≤0.20％，Cr3.75-4.25％，Cu≤0.20％，Mo 4.00-4.50％，V 0..90-1.10％，以及余量的Fe。最優(yōu)選地，本發(fā)明所述基體材料M50鋼中元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe質(zhì)量比比值為0.80：0.30：0.30：0.20：4.0：0.20：4.20：1.0：89.0。

上述以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料，它由含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用3D打印(選區(qū)激光融化(SLM)技術(shù))制備而成。該含Ti₃SiC₂的M50球形粉末由Ti₃SiC₂和M50鋼組成，Ti₃SiC₂質(zhì)量為M50鋼質(zhì)量的(8.0-12.0)wt.％。

上述方案中，3D打印工藝參數(shù)為：激光功率為450-500W，掃描速度為1800-2000mm/s，鋪粉厚度為0.05-0.08mm，搭接率為40％，光斑直徑為0.15mm，掃描間距為0.09mm。

上述方案中，所述含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒徑為25μm-60μm。該含Ti₃SiC₂的M50球形粉末可以采用水氣聯(lián)合霧化法制取，制備方法主要包括如下步驟：

1)根據(jù)M50鋼的組成元素及其含量，稱取其組成元素的單質(zhì)粉末，作為基體材料的原料；按照Ti₃SiC₂質(zhì)量為基體材料的原料的(8.0-12.0)wt.％稱取Ti₃SiC₂粉末，然后與基體材料的原料混合均勻，得到初始配料；

2)將步驟1)所得初始配料在真空下進(jìn)行熔化，得到熔液；將熔液進(jìn)行霧化，霧化所得熔滴冷卻凝固后形成球形粉末，即為含Ti₃SiC₂的M50球形粉末。

上述方案中，所需M50各個(gè)組成元素單質(zhì)粉末粒徑為20μm-40μm，所需Ti₃SiC₂的粉末粒徑為10-30μm。

上述方案中，步驟1)中混合采用振動(dòng)混料，振動(dòng)頻率為45-50Hz，振動(dòng)力為10000-11000N，振蕩時(shí)間為30-40min。

按上述方案，步驟2)中熔化過程中升溫溫度范圍為1450-1550℃。

按上述方案，步驟2)中霧化時(shí)，霧化氣體的壓力為0.5-2.1MPa，霧化水的壓力為70-100MPa。

上述方案中，步驟2)的具體工藝為：將步驟1)所得初始配料加入到熔煉坩堝在真空下進(jìn)行熔化，熔融金屬液(即熔液)流進(jìn)入霧化區(qū)域，氣霧化噴嘴噴出氬氣，在高速氣體流的作用下，熔融金屬液流(即熔液)被粉碎成液滴，再經(jīng)過高壓水流的霧化，將液滴水霧化后噴出；霧化后的粉末進(jìn)入收集罐，待粉末冷卻后，脫水，干燥，收集篩分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末。其中，坩堝升溫溫度范圍為1450-1550℃，霧化氣體的壓力為2MPa，霧化水的壓力為85MPa。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明該新型M50基自潤滑復(fù)合材料具有較低的摩擦系數(shù)與磨損率，有效地提高了M50軸承鋼的摩擦學(xué)性能，為實(shí)現(xiàn)M50基自潤滑材料的工業(yè)化應(yīng)用提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明所述的以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料，利用選區(qū)激光融化(SLM)技術(shù)以逐層激光燒結(jié)的方式制備材料，制備的材料致密度高，提高了材料力學(xué)性能及摩擦磨損性能；且制備方法簡單便捷，周期短，工藝參數(shù)易控制，效率高，適用于規(guī)?；可a(chǎn)，節(jié)約資源。

3、本發(fā)明以Ti₃SiC₂為潤滑相，具有良好的潤滑性能，同時(shí)在制備含Ti₃SiC₂的M50球形粉末過程中(坩堝熔化初始配料時(shí))，有TiC產(chǎn)生，TiC作為一種增強(qiáng)相可以提高材料強(qiáng)度及韌性，進(jìn)一步降低了M50的摩擦磨損。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的制備工藝流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的含Ti₃SiC₂的M50球形粉末場發(fā)射掃描電鏡照片。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2制備的以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料的磨痕電子探針照片，測試條件為：溫度25℃、載荷10N、滑動(dòng)速度0.5m/s、時(shí)間40min。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1、2、3制備的以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料的摩擦系數(shù)圖，摩擦測試條件為：溫度25℃、載荷10N、滑動(dòng)速度0.5m/s、時(shí)間40min。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1、2、3制備的以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料磨損率圖，摩擦測試條件為：溫度25℃、載荷10N、滑動(dòng)速度0.5m/s、時(shí)間40min。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

下述實(shí)施例中，所述的一種以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料由含Ti₃SiC₂的M50球形粉末制備而成。本發(fā)明提供一種具體制備方法，但是不限定其制備方法，其他方法制備得到的符合本發(fā)明所述要求含Ti₃SiC₂的M50球形粉末、M50-Ti₃SiC₂自潤滑復(fù)合材料也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)M50鋼的組成元素及其含量，稱取其組成元素的單質(zhì)粉末，作為基體材料的原料；并根據(jù)基體材料的原料質(zhì)量的(8.0-12.0)wt.％，稱取潤滑相Ti₃SiC₂粉末；其中，Ti₃SiC₂粉末粒徑為10-30μm，所述M50所需各個(gè)元素單質(zhì)粉末粒徑為20μm-40μm；

2)將上述基體材料的原料和潤滑相置于振動(dòng)混料機(jī)中振動(dòng)頻率為45-50Hz，振動(dòng)力為10000-11000N，振蕩時(shí)間為30-40min，得到混合均勻的配料；

3)將混合均勻后的配料加入到熔煉坩堝進(jìn)行熔化，坩堝升溫溫度范圍為1450-1550℃，熔融金屬液流進(jìn)入霧化區(qū)域，氣霧化噴嘴噴出氬氣，在高速氣體流的作用下，熔融金屬液流被粉碎成液滴，再經(jīng)過高壓水流的霧化，將液滴水霧化后噴出，霧化氣體的壓力為0.5-2.1MPa，霧化水的壓力為70-100MPa；霧化后的粉末進(jìn)入收集罐，待粉末冷卻后，脫水，干燥，收集篩分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒徑為25μm-60μm；

4)將上述含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用SLM150金屬3D打印機(jī)進(jìn)行打印，經(jīng)激光燒結(jié)得到所述的以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料；其中設(shè)置3D打印工藝參數(shù)為：激光功率為450-500W，掃描速度為1800-2000mm/s，鋪粉厚度為0.05-0.08mm，搭接率為40％，光斑直徑為0.15mm，掃描間距為0.09mm。

實(shí)施例1

一種以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料，由基體材料和潤滑相組成，M50鋼為基體材料，以Ti₃SiC₂為潤滑相，以TiC為增強(qiáng)相，潤滑相Ti₃SiC₂的質(zhì)量為基體材料M50質(zhì)量的8.0wt.％，基體材料M50鋼包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe，元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe質(zhì)量比值為0.80：0.30：0.30：0.20：4.0：0.20：4.20：1.0：89.0。

如圖1所示，上述以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)M50鋼的組成元素及其含量，稱取C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉組成，按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)比稱得它們質(zhì)量分別為：1.84g，0.69g，0.69g，0.46g，9.2g，0.46g，9.66g，2.3g，204.7g，作為基體材料的原料；并稱取潤滑相Ti₃SiC₂粉末的質(zhì)量為18.4；其中，Ti₃SiC₂粉末粒徑為10-30μm，所述M50所需各個(gè)元素單質(zhì)粉末粒徑為20μm-40μm；

2)將上述基體材料的原料和潤滑相置于振動(dòng)混料機(jī)中振動(dòng)頻率為45Hz，振動(dòng)力為10000N，振蕩時(shí)間為35min，得到混合均勻的配料；

3)將混合均勻后的配料加入到熔煉坩堝進(jìn)行熔化，坩堝升溫溫度范圍為1500℃，熔融金屬液流進(jìn)入霧化區(qū)域，氣霧化噴嘴噴出氬氣，在高速氣體流的作用下，熔融金屬液流被粉碎成液滴，再經(jīng)過高壓水流的霧化，將液滴水霧化后噴出，霧化氣體的壓力為2MPa，霧化水的壓力為85MPa；霧化后的粉末進(jìn)入收集罐，待粉末冷卻后，脫水，干燥，收集篩分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒徑為25μm-60μm；

4)將含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用SLM150金屬3D打印機(jī)進(jìn)行打印，3D打印工藝參數(shù)：激光功率為450W，掃描速度為1800mm/s，鋪粉厚度為0.05mm，搭接率為40％，光斑直徑為0.15mm，掃描間距為0.09mm；最終得到以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料。

經(jīng)過HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度儀測試，實(shí)施例1所制備的以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料的硬度為6.77GPa，相對密度為95.1％。

由圖2可看出，含Ti₃SiC₂的M50球形粉末表觀形貌主要為球形和近球形，有極少量不規(guī)則形狀粉末，完全符合3D打印對粉末球形度的要求；此外，還可看出其粒度分布具有一定范圍(約為25μm-60μm)，但大顆粒少，平均粒度較小。

由圖4和圖5可知：實(shí)施例1制備的自潤滑復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)小(約0.40)，且磨損率小(約1.27×10^-6mm³N^-1m^-1)，表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。

實(shí)施例2

一種以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料，由基體材料和潤滑相組成，M50鋼為基體材料，以Ti₃SiC₂為潤滑相，以TiC為增強(qiáng)相，潤滑相Ti₃SiC₂的質(zhì)量為基體材料M50質(zhì)量的10wt.％，基體材料M50鋼包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe，元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe質(zhì)量比值為0.80：0.30：0.30：0.20：4.0：0.20：4.20：1.0：89.0。

如圖1所示，上述以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)M50鋼的組成元素及其含量，稱取C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉組成，按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)比稱得它們質(zhì)量分別為：1.8g，0.675g，0.675g，0.45g，9g，0.45g，9.45g，2.25g，200.25g，作為基體材料的原料；并稱取潤滑相Ti₃SiC₂粉末的質(zhì)量為22.5g；其中，Ti₃SiC₂粉末粒徑為10-30μm，所述M50所需各個(gè)元素單質(zhì)粉末粒徑為20μm-40μm；

2)將上述基體材料的原料和潤滑相置于振動(dòng)混料機(jī)中振動(dòng)頻率為45Hz，振動(dòng)力為11000N，振蕩時(shí)間為40min，得到混合均勻的配料；

3)將混合均勻后的配料加入到熔煉坩堝進(jìn)行熔化，坩堝升溫溫度范圍為1500℃，熔融金屬液流進(jìn)入霧化區(qū)域，氣霧化噴嘴噴出氬氣，在高速氣體流的作用下，熔融金屬液流被粉碎成液滴，再經(jīng)過高壓水流的霧化，將液滴水霧化后噴出，霧化氣體的壓力為2MPa，霧化水的壓力為85MPa；霧化后的粉末進(jìn)入收集罐，待粉末冷卻后，脫水，干燥，收集篩分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒徑為25μm-60μm；

4)將含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用SLM150金屬3D打印機(jī)進(jìn)行打印，3D打印工藝參數(shù)：激光功率為500W，掃描速度為1800mm/s，鋪粉厚度為0.05mm，搭接率為40％，光斑直徑為0.15mm，掃描間距為0.09mm；最終得到以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料。

經(jīng)過HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度儀測試，實(shí)施例2所制備的以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料的硬度為7.13GPa，相對密度為95.6％。

實(shí)施例2制得的以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料(也可稱為M50-Ti₃SiC₂自潤滑復(fù)合材料)的磨痕電子探針照片如圖3所示，可以看出磨痕表面非常光滑，這是由于潤滑相Ti₃SiC₂具有低剪切力，使得M50-Ti₃SiC₂自潤滑復(fù)合材料具有優(yōu)良的減摩特性。同時(shí)在制備含Ti₃SiC₂的M50球形粉末過程中，有TiC產(chǎn)生，TiC作為一種增強(qiáng)相可以提高材料硬度，使得M50-Ti₃SiC₂自潤滑復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐摩特性。

由圖4和圖5可知：實(shí)施例2制備的自潤滑復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)小(約0.28)且磨損率小(約0.84×10^-6mm³N^-1m^-1)，表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。

實(shí)施例3

一種以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料，由基體材料和潤滑相組成，M50鋼為基體材料，以Ti₃SiC₂為潤滑相，以TiC為增強(qiáng)相，潤滑相Ti₃SiC₂的質(zhì)量為基體材料M50質(zhì)量的12.0wt.％，基體材料M50鋼包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe，元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe質(zhì)量比值為0.80：0.30：0.30：0.20：4.0：0.20：4.20：1.0：89.0。

如圖1所示，上述以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)M50鋼的組成元素及其含量，稱取C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉組成，按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)比稱得它們質(zhì)量分別為：1.76g，0.66g，0.66g，0.44g，8.8g，0.44g，9.24g，2.2g，195.8g，作為基體材料的原料；并稱取潤滑相Ti₃SiC₂粉末的質(zhì)量為26.4g；其中，Ti₃SiC₂粉末粒徑為10-30μm，所述M50所需各個(gè)元素單質(zhì)粉末粒徑為20μm-40μm；

2)將上述基體材料的原料和潤滑相置于振動(dòng)混料機(jī)中振動(dòng)頻率為50Hz，振動(dòng)力為10000N，振蕩時(shí)間為30min，得到混合均勻的配料；

3)將混合均勻后的配料加入到熔煉坩堝進(jìn)行熔化，坩堝升溫溫度范圍為1500℃，熔融金屬液流進(jìn)入霧化區(qū)域，氣霧化噴嘴噴出氬氣，在高速氣體流的作用下，熔融金屬液流被粉碎成液滴，再經(jīng)過高壓水流的霧化，將液滴水霧化后噴出，霧化氣體的壓力為2MPa，霧化水的壓力為85MPa；霧化后的粉末進(jìn)入收集罐，待粉末冷卻后，脫水，干燥，收集篩分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒徑為25μm-60μm；

4)將含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用SLM150金屬3D打印機(jī)進(jìn)行打印，3D打印工藝參數(shù)：激光功率為500W，掃描速度為2000mm/s，鋪粉厚度為0.05mm，搭接率為40％，光斑直徑為0.15mm，掃描間距為0.09mm；最終得到以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料。

經(jīng)過HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度儀測試，實(shí)施例3所制備的以Ti₃SiC₂為潤滑相的新型M50基自潤滑復(fù)合材料的硬度為6.89GPa，相對密度為94.4％。

由圖4和圖5可知：實(shí)施例3制備的自潤滑復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)小(約0.36)且磨損率小(約1.54×10^-6mm³N^-1m^-1)，表現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。

由實(shí)施例1，實(shí)施例2和實(shí)施例3可知，該新型M50基自潤滑復(fù)合材料的具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，達(dá)到了預(yù)期的目的，為實(shí)現(xiàn)M50基自潤滑材料的工業(yè)化應(yīng)用提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。同時(shí)由圖4和圖5可知，實(shí)施例2制備的自潤滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能更好，比較其3D打印參數(shù)(實(shí)施例1激光功率為450W，掃描速度為1800mm/s；實(shí)施例2激光功率為500W，掃描速度為1800mm/s；實(shí)施例3激光功率為500W，掃描速度為2000mm/s)，可知，在合理的范圍內(nèi)，隨著掃描功率的增加，以及掃描速度的降低，材料的摩擦學(xué)性能有所改善，這可能是因?yàn)榧す夤β侍突驋呙杷俣鹊脑黾?，單位面積的熱輸入量不足以完全熔化粉末，造成材料的內(nèi)部缺陷，使得其摩擦學(xué)性能稍微有所變差。

本發(fā)明所列舉的各原料都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，以及各原料的上下限取值、區(qū)間值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明的工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速度、鋪粉厚度等)的上下限取值以及區(qū)間值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變換，這些都屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。