宽温域内具有高强度和连续自润滑性能的镍基材料的研究

摘要

航空、航天、核工程等现代高新技术产业的发展，对极端苛刻工况条件下材料的润滑性能和强度提出了迫切需求。以先进发动机为代表的高温部件，不仅要求材料具有较高的力学性能，而且要求材料在宽温域（RT～1000℃）内具有良好的摩擦学性能。本文采用粉末冶金（高能球磨+真空热压烧结）的方法制备了一系列Ni基合金和Ni基复合材料，研究了合金元素和润滑组元对镍基材料的组织结构、机械性能和宽温域内摩擦学性能的影响，并揭示其宽温域内的润滑机理。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了Mo含量对NiCrAl合金组织及力学和摩擦学性能的影响，结果表明：适量的Mo可以改善材料的力学和摩擦学性能；随着Mo含量的升高，合金的室温压缩性能、硬度和密度等均增大，在宽温域范围内合金的力学性能下降（600℃除外），600℃出现反常，是由于 Mo2C在中温起强化作用；随着温度的升高，合金的摩擦学性能均提高；其中5wt.%的Mo含量的Ni基合金，在宽温域内具有最优的力学及摩擦学性能，其900℃时的摩擦系数低至0.22、磨损率低至10-6mm3/(Nm)。其优异的摩擦学性能主要归因于磨痕表面形成的由NiO、NiMoO4等润滑剂组成的摩擦化学反应层。⑵研究了Al元素对NiCrMo合金组织及力学和摩擦学性能的影响，研究结果表明：Al元素的加入减少了合金粉末的团聚，但促进了烧结过程中晶粒的长大，提高了合金的致密度和硬度；含Al的NiCrMoAl合金，在高温摩擦过程中，摩擦表面各组元发生了摩擦化学反应，形成了由氧化钼、氧化镍和钼酸镍等润滑剂组成的摩擦化学反应层，氧化钼、氧化镍和钼酸镍等作为高温润滑剂，改善了其在高温下的摩擦学性能；而未含Al的NiCrMo合金，生成了硬质相Cr2O3，且随着温度的升高Cr2O3的含量增加，导致磨粒磨损严重。⑶研究了固体润滑剂（Ag、MoS2、Ag/MoS2）对NiCrMoAl合金组织及力学和摩擦学性能的影响，结果表明：10wt.%的Ag的加入，降低了合金室温～900℃内的摩擦系数，但增加了室温磨损，高温下，合金摩擦表面发生了摩擦化学反应，生成了NiO、MoO2、MoO3和 Ag2MoO4等润滑相，在摩擦过程中，合金材料室温～900℃内摩擦系数的降低归因于Ag、NiO、Mo的氧化物和Ag2MoO4等的协同润滑作用；10wt.%的MoS2的加入显著提高了复合材料在中低温条件下的摩擦学性能，其优异的摩擦学性能主要归因于NiS、NiO、Mo的氧化物、NiMoO4等润滑剂的协同润滑作用，而700℃以上复合材料的摩擦系数降低不明显；当同时加入10wt.%的Ag和10wt.%的MoS2时，复合材料在宽温域内具有较优的摩擦学性能，并且在900℃时，复合材料组元之间由于发生了摩擦化学反应，生成了Ag2Mo2O7新相，宽温域内复合材料优异的摩擦学性能归因于Ag、NiS、NiO、Mo的氧化物、NiMoO4、Ag2MoO4和Ag2Mo2O7等润滑剂的协同润滑作用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 固体自润滑材料

1.3 高温合金的强化机制

1.4宽温域内具有连续润滑性能的材料及存在的主要问题

1.5选题依据与研究内容

第2章 试验与研究方法

2.1试验材料制备

2.2试样的组织结构分析

2.3试样的力学性能测试

2.4技术路线

第3章 Mo元素对NiCrAl合金组织及其力学和摩擦学性能的影响

3.1 制备工艺对试验材料组织及其力学性能的影响

3.2 Mo元素对NiCrAl合金组织及其力学和摩擦学性能的影响

3.3本章小结

第4章 Al元素对NiCrMo合金组织及其力学和摩擦学性能的影响

4.1引言

4.2试验方法

4.3试验结果与分析

4.4本章小结

第5章 固体润滑剂对NiCrMoAl合金组织及其力学和摩擦学性能的影响

5.1引言

5.2试验方法

5.3试验结果与分析

5.4本章小结

参考文献

致谢

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