纳米结构双金属氧化物增强NiAl基高温高强润滑复合材料制备方法

摘要

本发明公开了一种纳米结构双金属氧化物增强NiAl基高温高强润滑复合材料制备方法，采用高能球磨法制备纳米结构混合粉末，然后采用冷压处理及真空热压烧结制备纳米结构NiAl‑BaO/TiO

说明书

技术领域

本发明属于高温高强润滑复合材料技术领域，具体涉及一种纳米结构双金属氧化物增强NiAl基高温高强润滑复合材料制备方法。

背景技术

近年来，随着我国航空航天、核工业等高新技术产业的快速发展，对高温、高载、高速等极端苛刻工况条件下服役材料的力学及摩擦学性能提出了更高的要求，如：轻量化、耐更高温度及耐磨，相关运动部件在苛刻条件下的强度、耐磨及润滑问题已成为影响整个装备运行的可靠性和寿命的技术关键。因此，迫切需要运用材料学的基础知识构筑更高温度条件下高强轻量化高温润滑复合材料，以满足我国航空航天、核工业等高新技术产业的发展需求。

NiAl金属间化合物的熔点较高，为1638℃，比常用的镍基高温合金高约300℃，比Ni₃Al金属间化合物高约250℃。同时，NiAl金属间化合物的密度较低(5.9g/cm³，为镍基合金的2/3)，其优异的性能符合我国高新技术产业对高温复合材料提出耐更高温度及轻量化的要求。金属氧化物高温固体润滑剂的使用温度较高，具有广泛的应用前景。BaO的互作用参数较小，高温下的润滑性能较好。但是金属氧化物一般与金属基体之间的润湿性较差，材料的强度一般较低，这很大程度上会影响材料的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种纳米结构双金属氧化物增强NiAl基高温高强润滑复合材料制备方法，利用BaO和TiO₂在烧结过程中的反应，生成BaTiO₃高温润滑剂，进一步提高复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善金属氧化物与NiAl基体之间润湿性差的问题，提高复合材料的强度。同时复合材料中的纳米颗粒具有细晶强化的作用，可进一步提高复合材料的强度。

本发明采用以下技术方案：

纳米结构双金属氧化物增强NiAl基高温高强润滑复合材料制备方法，其特征在于，采用高能球磨法制备纳米结构混合粉末，然后采用冷压处理及真空热压烧结制备纳米结构NiAl-BaO/TiO₂复合材料，NiAl-BaO/TiO₂复合材料的显微硬度为380～450HV，抗压强度为1500～1700MPa。

具体的，包括以下步骤：

S1、将NiAl和BaO/TiO₂混合，加入乙醇进行球磨处理；

S2、将步骤S1球磨处理的粉末装入石墨磨具中，然后在冷压机上进行冷压处理，对粉末进行冷压成型；

S3、将步骤S2冷压处理后的粉末进行真空热压烧结，获得组织致密均匀的NiAl-BaO/TiO₂高温润滑复合材料。

进一步的，步骤S1中，按质量百分数计，NiAl为75％～90％，BaO/TiO₂为10％～25％。

更进一步的，TiO₂与BaO的摩尔比为1:1。

进一步的，步骤S1中，球磨工艺为：球料质量比为(8～12)：1，转速为200～300r/min，球磨时间为10～20h，筛粉并烘干处理得到的混合粉末。

更进一步的，混合粉末的粒径为10～50nm，烘干处理的温度为80～100℃，时间为1～2h。

进一步的，步骤S2中，冷压处理的压强为5～13MPa。

进一步的，步骤S3中，真空热压烧结的真空度为1×10^-2Pa～3×10^-2Pa。

更进一步的，烧结温度为1200～1400℃，升温速度为5～15℃/min，保温时间为1～3h，压强为15～30MPa。

具体的，制备的NiAl-BaO/TiO₂复合材料在800℃高温条件下的摩擦系数为0.35，磨损率为3.9×10^-5mm³/Nm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种纳米结构双金属氧化物增强NiAl基高温高强润滑复合材料的制备方法，采用真空热压烧结技术制备纳米结构NiAl-BaO/TiO₂复合材料，不仅改善了NiAl-BaO/TiO₂复合材料的组织结构，实现了复合材料的高温润滑性能，而且有效提高了复合材料的强度，同时，满足了高温润滑材料轻量化的要求。

进一步的，本发明在NiAl基体中添加的BaO和TiO₂可以在高温烧结过程中发生反应生成BaTiO₃，可实现复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善金属氧化物与NiAl基体之间的润湿性，提高复合材料的强度。

进一步的，原料粉末按质量分数计算，NiAl为75～90％，BaO/TiO₂为10～25％，其中TiO₂与BaO的摩尔比为1:1，与传统同类型复合材料相比，可获得高强高温复合材料。

进一步的，通过高能球磨，制备的混合粉末的粒径为10～50nm，一方面高能球磨可以使粉末混合均匀，可以保证复合材料组织均匀；另一方面细小的纳米颗粒具有细晶强化的作用，可以有效提高复合材料的强度。

进一步的，本发明先将混合均匀的粉末在冷压机上冷压处理，可以使粉末热压烧结前先简单成型，同时排除粉末中的气体。

进一步的，本发明所采用的真空热压烧结技术，一方面可以防止在烧结过程中材料的氧化；另一方面可以制备出组织比较致密的材料，可以显著提高材料的致密度，进而提高材料的强度。

综上所述，本发明采用真空热压烧结技术制备出了一种纳米结构双金属氧化物增强NiAl基高温高强润滑复合材料。与其它金属氧化物增强金属基复合材料相比，本发明制备的复合材料有效改善了金属氧化物与NiAl基体之间的润湿性，提高了氧化物与基体之间的结合强度。BaO与TiO₂在高温烧结过程中可以发生反应生成BaTiO₃高温固体润滑剂，实现材料的高温润滑性能。同时，复合材料中细小的纳米颗粒具有细晶强化的作用，可有效提高了复合材料的强度，成功制备了一种纳米结构高强轻量化高温润滑复合材料。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为复合材料的组织结构；

图2为复合材料的压缩曲线；

图3为复合材料的摩擦曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种纳米结构双金属氧化物增强NiAl基高温高强润滑复合材料制备方法，采用高能球磨的方法制备了纳米结构混合均匀的粉末，然后采用冷压处理及真空热压烧结技术制备了纳米结构NiAl-BaO/TiO₂复合材料，有效改善了金属氧化物与NiAl基体之间润湿性差的问题，显著提高了复合材料的抗压强度。BaO与TiO₂在高温烧结过程中可以发生反应生成BaTiO₃高温固体润滑剂，进而实现材料的高温润滑性能。复合材料的显微硬度为380～450HV，抗压强度达到1500～1700MPa，在800℃高温条件下的摩擦系数为0.35，磨损率为3.9×10^-5mm³/Nm，成功制备出了一种高强轻量化高温润滑复合材料，本发明利用细晶强化理论及BaO与TiO₂在烧结过程中的原位反应，实现了复合材料的高温润滑性能，同时有效改善了金属氧化物与NiAl基体之间的润湿性及复合材料的组织结构，有效提高了金属氧化物与NiAl基体之间的结合强度，显著提高了复合材料的抗压强度，实现复合材料的高强、轻量化及高温润滑性能。

本发明一种纳米结构双金属氧化物增强NiAl基高温高强润滑复合材料制备方法，通过高能球磨制备纳米结构混合粉末，成功制备了各物相分布均匀的纳米结构复合材料，利用BaO与TiO₂在高温烧结过程中发生反应生成BaTiO₃高温固体润滑剂，实现了复合材料的高温润滑性能，同时，有效改善了金属氧化物与NiAl基体之间润湿性差的问题，显著提高了复合材料的显微硬度和抗压强度，同时实现了复合材料高强、轻量化及高温润滑的性能。具体步骤如下：

S1、混合粉末配比及球磨

按复合材料的成分设计比例称取粉末，按质量百分数计算，NiAl为75％～90％，BaO/TiO₂为10％～25％，其中TiO₂与BaO的摩尔比为1:1；

将称好的混合粉末放在二氧化锆球磨罐中，加入一定量的乙醇，在高能球磨机上进行球磨；

球磨工艺为：球料质量比为(8～12):1，转速200～300r/min，球磨时间为10～20h，球磨结束后，筛粉并进行烘干处理，混合粉末的粒径为10～50nm，烘干处理的温度为80～100℃，时间为1～2h；

S2、冷压成型

首先将球磨混合好的粉末装入石墨磨具中，然后在冷压机上进行冷压处理，对粉末进行冷压成型；冷压处理的压强为5～13MPa。

S3、真空热压烧结

将冷压处理后的粉末在真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，真空热压烧结炉的真空度为1×10^-2Pa～3×10^-2Pa，烧结温度为1200～1400℃，升温速度为5～15℃/min，保温时间为1～3h，压强为15～30MPa，获得组织致密均匀，显微硬度高、高强、轻量化高温润滑复合材料。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

采用高能球磨的方法制备混合均匀的纳米结构混合粉末；将质量百分数75％的NiAl和25％的BaO/TiO₂放入二氧化锆球磨罐中进行高能球磨，球料质量比为8：1，转速为200r/min，球磨时间为10h，混合粉末的粒径为10nm，烘干处理的温度为80℃，时间为1h，制备混合均匀的纳米结构混合粉末，然后将混合好的粉末装入石墨磨具中。

装粉之前，石墨磨具壁上先铺一层石墨纸，防止粉末在烧结过程中与石墨磨具粘接在一起。纳米结构的混合粉末具有细晶强化的作用，可有效提高复合材料的强度。复合材料中添加的BaO/TiO₂双金属氧化物一方面可有效提高复合材料的强度；另一方面在烧结过程中可以发生反应生成BaTiO₃高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善氧化物与NiAl基体之间润湿性差的问题，有效提高复合材料的强度。

控制冷压处理的压强为5MPa，真空热压烧结的真空度为1×10^-2Pa，烧结温度为1200℃，升温速度为5℃/min，保温时间为1h，压强为15MPa，制得复合材料。

制备的复合材料中各物相分布比较均匀，如图1所示。添加BaO/TiO₂双金属氧化物后，复合材料的显微硬度由251.6HV升高为429.8HV，得到了显著的升高，抗压强度为1500MPa。与同类高温润滑复合材料相比，制备的复合材料的显微硬度也较高。

实施例2

采用高能球磨的方法制备混合均匀的纳米结构混合粉末。将质量百分数85％的NiAl和15％的BaO/TiO₂放入二氧化锆球磨罐中进行高能球磨，球料质量比为10：1，转速为250r/min，球磨时间为15h，混合粉末的粒径为30nm，烘干处理的温度为90℃，时间为1.5h，制备混合均匀的纳米结构混合粉末，然后将混合好的粉末装入石墨磨具中。

装粉之前，石墨磨具壁上先铺一层石墨纸，防止粉末在烧结过程中与石墨磨具粘接在一起。纳米结构的混合粉末具有细晶强化的作用，可有效提高复合材料的强度。复合材料中添加的BaO/TiO₂双金属氧化物一方面可有效提高复合材料的强度；另一方面在烧结过程中可以发生反应生成BaTiO₃高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善氧化物与NiAl基体之间润湿性差的问题，有效提高复合材料的强度。

控制冷压处理的压强为9MPa，真空热压烧结的真空度为2×10^-2Pa，烧结温度为1300℃，升温速度为10℃/min，保温时间为2h，压强为25MPa，制得复合材料。

制备的复合材料中各物相分布比较均匀。添加BaO/TiO₂双金属氧化物后，复合材料的显微硬度为380HV，得到了显著的升高，抗压强度为1600MPa。与同类高温润滑复合材料相比，制备的复合材料的显微硬度也较高。

实施例3

采用高能球磨的方法制备混合均匀的纳米结构混合粉末。将质量百分数90％的NiAl和10％的BaO/TiO₂放入二氧化锆球磨罐中进行高能球磨，球料质量比为12：1，转速为300r/min，球磨时间为20h，混合粉末的粒径为50nm，烘干处理的温度为100℃，时间为2h，制备混合均匀的纳米结构混合粉末，然后将混合好的粉末装入石墨磨具中。

装粉之前，石墨磨具壁上先铺一层石墨纸，防止粉末在烧结过程中与石墨磨具粘接在一起。纳米结构的混合粉末具有细晶强化的作用，可有效提高复合材料的强度。复合材料中添加的BaO/TiO₂双金属氧化物一方面可有效提高复合材料的强度；另一方面在烧结过程中可以发生反应生成BaTiO₃高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能，同时可有效改善氧化物与NiAl基体之间润湿性差的问题，有效提高复合材料的强度。

控制冷压处理的压强为13MPa，真空热压烧结的真空度为3×10^-2Pa，烧结温度为1400℃，升温速度为15℃/min，保温时间为3h，压强为30MPa，制得复合材料。

制备的复合材料中各物相分布比较均匀。添加BaO/TiO₂双金属氧化物后，复合材料的显微硬度为450HV，得到了显著的升高，抗压强度为1700MPa。与同类高温润滑复合材料相比，制备的复合材料的显微硬度也较高。

实施例4

对实施例1制备的复合材料切割为压缩试样，试样尺寸为压缩试验在万能试验机上进行，为了保证试验数据的稳定可靠，试验重复5次。

压缩试验过程中的压缩速度为0.05mm/s。金属氧化物的添加有效提高了复合材料的抗压强度，复合材料的抗压强度由1365MPa提高到1486MPa，如图2所示。与同类高温润滑复合材料相比，制备的复合材料抗压强度更是得到了显著提高。

实施例5

对实施例1制备的复合材料切割为高温摩擦试样，试样尺寸为高温摩擦试验在UMT高温摩擦试验机上进行，摩擦试验采用球-盘式，球选用熔点高、高温稳定性好的Al₂O₃，摩擦测试温度为800℃，半径为5mm，转速为200r/min，摩擦测试时间为1h。BaO与TiO₂在高温烧结过程中可以发生反应生成BaTiO₃高温固体润滑剂，实现复合材料的高温润滑性能。

试验测得复合材料在800℃高温条件下的摩擦系数为0.35，磨损率为3.9×10^-5mm³/Nm，较NiAl材料有了明显的降低，如图3所示。与同类高温润滑复合材料相比，制备的复合材料在高温下的摩擦磨损性能更优。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。