适于烧结以形成自润滑固体材料的粉末混合物

摘要

本领域涉及一种新颖的自润滑固体材料；涉及由粉末混合物而制备这种材料的方法；涉及所述粉末混合物；并且涉及由所述新颖的材料制成的机械部件。所述粉末混合物包括金属合金的粉末，其作为所述材料的基质的前体；诸如CeF3的第一固体润滑剂的颗粒，其用来以不与所述金属合金起反应的方式嵌入在所述基质中；诸如WS2或MoS2的第二固体润滑剂的颗粒，其用来在烧结所述粉末期间与所述金属合金的成分起反应以形成润滑相。所述材料可用来制造轴套(11)，其容纳飞机涡轮喷气发动机压缩机的变节距叶片(3)的根部(7)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新颖的自润滑固体材料，由粉末混合物而制备这种材料的方法，所述粉末混合物，以及由这种新颖材料制成的机械部件。

背景技术

在干燥时自润滑的固体材料通常被用于制造机械部件，例如轴套、球形接头或枢轴，它们承受了高级别的摩擦，然而它们的操作状况无法使用油或脂类型的液体润滑剂。对于用于在飞机涡轮喷气发动机的压缩机中保护变节距叶片的根部的轴套，这一点尤其会出现。

这些轴套以紧配合方式大体安装在穿通形成于压缩机的定子壳体的开口中。它们容纳压缩机变节距叶片的根部。在美国专利US6480960B2中说明了这种类型的轴套的一个实例。

由于叶片在所述轴套中枢转，或者由于由涡轮喷气发动机的操作所导致的振动，因而这种轴套和叶片根部组件承受了大量的摩擦。轴套由比用于枢轴的材料“更软”的材料制成，从而轴套最先磨损，因而保护了枢轴。

为了限制所述轴套的磨损(并且因而限制它们需要被更换的频率)，有利的是减小位于所述轴套与叶片枢轴之间的接触面上的摩擦。这就是为什么这种轴套由通过烧结粉末紧密混合物得到的自润滑固体材料而制造的原因。

这种混合物大体包括金属合金粉末，其用作为自润滑材料的基质(matrix)的前体；以及固体润滑剂的颗粒，所述固体润滑剂的颗粒在所述材料工作和使用的温度处是稳定的，从而它们不与所述金属合金起反应，并且保持不受影响使得可以实现它们的润滑作用。自然地，在混合物中的这种颗粒的量越多，则最终材料的自润滑性能就越好(其中，术语“最终材料”被用来说明由所述粉末混合物制成的材料)。

然而，本发明的申请人已经发现，如果在紧密混合物中的这种类型的固体润滑剂超过一定级别的含量，即10％体积，则出现致密的问题，并且粉末混合物变得更加难于烧结。在实际中，必须增加温度和烧结的持续时间，或者必须使用更加复杂的挤压技术，例如热等静压成型技术，以使得所述粉末混合物致密，因而导致所生产的部件的成本的增加。无论如何，所述最终材料具有高度的疏松度，并且其的机械性能同样不足。

此外，如果超过润滑剂的一个限定的含量，即15％体积，则通常发现，非常困难甚至是不可能烧结所述粉末混合物。

发明内容

本发明的目的在于提出一种粉末混合物，其可容易地被烧结并且可制造具有良好自润滑性能的材料。

为了实现该目的，在第一方面，本发明提供一种适于烧结以形成自润滑固体材料的粉末混合物，所述混合物的特征在于，所述混合物包括金属合金的粉末，其作为所述自润滑固体材料的基质的前体；作为第一固体润滑剂的三氟化铈CeF₃的颗粒，其用来在烧结所述粉末期间以不与所述金属合金起反应的方式嵌入在所述基质中；以及第二固体润滑剂的颗粒，其用来在烧结所述粉末期间与所述金属合金的成分起反应从而形成润滑相(lubricatingphase)。

本发明因而旨在使用两种类型的固体润滑剂，它们在最终材料的基质中具有不同的整合模式。由于这种不同，已经发现，包含x％的第一固体润滑剂和y％的第二固体润滑剂的混合物比包含(x+y)％的含量的、这两种类型润滑剂中的仅仅一种润滑剂的混合物更加容易烧结。

有利地，为了使得所述混合物更加容易烧结，在所述混合物中的所述第一固体润滑剂的含量为等于或者小于大约15％体积，并且优选等于或者小于大约10％体积。类似地，在所述混合物中的所述第二固体润滑剂的含量为等于或者小于大约15％体积，并且优选等于或者小于大约10％体积。

更加有利地，为了在最终材料中获得良好的自润滑性能，所述第一和第二固体润滑剂的总含量为大于10％体积，并且优选大于15％体积。

因而，可有利地选择所述第一和第二固体润滑剂的含量，使得它们每个为5％至10％体积，而所述含量的总和为大约10％体积，或者甚至大于15％体积。

在第二方面，本发明提供一种制备自润滑固体材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：制造根据所述第一方面、上述类型的粉末混合物；紧密地混合所述混合物(也就是说，确保所述混合物彻底均匀)；并且烧结所获得的紧密混合物(intimatemixture)。

有利地，为了使所述粉末混合物的颗粒更加容易烧结成块，粘合剂被添加到所述紧密混合物。

以这种方式所制造的紧密混合物然后可以这样的方式通过在模具内挤压或注射被成型，即能够形成用于将被制造的部件的坯体。然后从所述模具中取出所述坯体，并且在催化或热粘合剂去除步骤中以传统方式去除粘合剂，并且所述坯体通过烧结最终被致密处理。该方法使得可由根据本发明的粉末混合物批量制造形状非常复杂的部件，并且可以降低所述部件的成本。

在第三方面，本发明提供一种自润滑固体材料，其包括金属合金基质，以及嵌入在所述基质中的固体润滑剂的颗粒；所述材料的特征在于，其还包括润滑相，所述润滑相包含六方结构的硫化合物。

在第四方面，本发明提供一种机械部件，其特征在于，所述机械部件由根据所述第三方面、上述类型的材料制成。

有利地，所述机械部件是轴套，用来容纳飞机涡轮喷气发动机的变节距压缩机叶片的根部。

附图说明

通过阅读以下详细描述，可更加理解本发明和其的优点。

图1示出了包含用于涡轮喷气发动机压缩机叶片的第一类型的组件；

图2示出了包含用于涡轮喷气发动机压缩机叶片的第二类型的组件。

具体实施方式

在根据本发明的有关粉末混合物的第一方面中，构成最终自润滑固体材料的基质的前体的金属合金可被选择为基于铁、镍或钴的合金。例如，其可由Astroloy^(注册商标)类型的镍基合金制成，并且更具体地讲由包含17.3％的钴、14.3％的铬、4％的铝和3.5％的钛的等级的上述合金制成。例如，其还可由诸如包含1.23％的碳、4.05％的钒、4.68％的铬、4.45％的钼和5.46％的钨的TY355^(注册商标)类型的合金的铁基合金制成。这两种示例合金所以被选择是因为它们可在高温下抵抗氧化作用，以及它们机械性能，尤其是在维氏硬度级别(HV)方面，硬度大于400。

在本发明的有关粉末混合物的第二方面中，所述第一固体润滑剂可选择为三氟化铈CeF₃。CeF₃是稀土族的副产物，尤其由于其的层状六方结构，所以CeF₃具有良好的耐磨性能。另外，CeF₃在直至1000℃的高温条件下具有良好的性能，因而使得粉末混合物(或者由所述混合物制成的自润滑固体材料)尤其适于用来制造在操作中承受高温的机械部件，例如涡轮喷气发动机压缩机叶片的轴套。

为了确保所述第一固体润滑剂的颗粒容易被嵌入在最终材料的金属基质中，根据金属合金的颗粒的平均尺寸来选择所述第一固体润滑剂的颗粒的平均尺寸。

为了确保粉末混合物可在模具中通过挤压或注射而被成型，金属合金颗粒的平均尺寸优选处于5μm(微米)至100μm的范围中。在这种情况下，第一固体润滑剂的颗粒的平均尺寸被选择成小于50μm，从而使得第一固体润滑剂的颗粒形成可被嵌入在所述基质中的不同尺寸的烧结块。

在本发明的有关粉末混合物的第三方面中，第二固体润滑剂可从二硫化钨WS₂或者二硫化钼MoS₂中选择。

这些化合物属于二硫属化物(dichalcogenide)族，并且具有层状六方结构。它们与基质—前体金属合金起反应，以产生至少一种润滑相，其包括至少一种六方结构的硫化合物。

对于含有铬的合金而言，尤其通过X射线衍射分析，已经发现，形成了硫化铬Cr₇S₈的主体自润滑相。在Astroloy^类型的合金的特定情况中，也形成钛和钴合金，但相对于Cr₇S₈而言，量较少。采用TY355^类型的合金，形成硫化铬和硫化钒。

在所述混合物中第二固体润滑剂的含量越多，则所形成的六方结构化合物的量就越多，并且最终材料的自润滑性能就越好。

对于第二固体润滑剂的颗粒尺寸而言，在其保持小于50μm时获得良好的结果。

在包含粉末化的Astroloy^类型的合金、作为第一固体润滑剂的CeF₃、以及作为第二固体润滑剂的WS₂的混合物的特定情况中，如上所述，已经发现，在所述混合物中CeF₃为大于10％体积的情况下，烧结和致密处理的难度变大。由于从7％开始可以显现出所述难度，所以优选的是保持CeF₃的含量，并且更加一般地讲，保持所述第一固体润滑剂的含量小于7％体积。

同样已经发现，在所述混合物中WS₂为大于10％体积时，烧结和致密处理出现困难。

最终固体材料的自润滑性能可通过测量所述最终材料与标称材料的摩擦系数而得到评价。在CeF₃和WS₂的总含量超过10％体积，并且有利地超过15％之后，自润滑性能变得更好。

因而，在使用下述粉末混合物时，在烧结方面以及润滑方面都获得了良好的结果，所述粉末混合物包括：占有5％至10％或5％至7％体积的CeF₃；占有5％至10％体积的WS₂；并且其中，CeF₃加上WS₂的总含量超过10％或甚至15％体积。

此外，由于第一固体润滑剂和润滑相的润滑性能取块于温度，所以结构可被制造成确保这些润滑性能最优化的温度范围不相互重叠。为了说明这一点，在上述实施例中，Cr₇S₈相的润滑性能最优化于等于或小于大约250℃的温度，而CeF₃的润滑性能最优化于等于或大于大约250℃的温度。在这种方式中，由所述粉末混合物制成的固体材料具有令人满意的、无需考虑其使用温度的自润滑性能。

同样可以制造具有这样的自润滑性能的结构，所述自润滑性能在很大的温度范围内，例如从100℃至400℃的范围内大致恒定。

前面已经充分地说明了本发明的粉末混合物的成分，以及这种混合物所获得的自润滑材料，接下来说明可采用所述材料而制成的机械部件的实施例，参看图1和2来进行说明。

附图中示出了飞机涡轮喷气发动机压缩机的定子壳体5上的变节距叶片3。

在所述壳体5内侧以固定间隔径向安置定子叶片3。它们通过它们的根部7被固定到所述壳体5，并且它们具有一定的仰俯角(节距角，pitch angle)，其确定空气流动穿过所述压缩机的方向。因为叶片3可绕其的根部7枢转从而改变仰俯角(节距角)，所以将叶片3说成是变节距的。

开口9穿过壳体5而形成，以容纳所述叶片根部7，开口9和根部7是圆柱形的。为了限制每个根部7与壳体5之间的摩擦，由根据本发明的自润滑固体材料制成的轴套(bushing)11被安置在它们之间。

每个开口9可使用一个或两个轴套11，如附图所示。这些轴套以紧配合的方式安装在所述开口9中，从而即使是所述壳体5在高温下膨胀时，所述这些轴套保持固定在所述壳体5上。每个轴套11具有凸缘11a，其在壳体5的内侧或外侧面上围绕开口9。

轴套11用于保护壳体5和叶片根部7，这是因为，轴套而不是其他部件承受了磨损，并且在轴套11已变得非常磨损之后，它们被更换。

如图2所示，还可以围绕根部7安放环13，从而轴套11靠着所述环。环3围绕根部7以紧配合的方式安装，并且用于保护所述根部。

在上述组件中所涉及的摩擦力自然地取决于所涉及的材料对。在所述轴套由采用上述实施例的材料(Astroloy^或TY355^类型的轻质合金基质；CeF₃固体润滑剂；以及自润滑Cr₇S₈相)制成时，叶片根部7可由基于铁、镍或钛的金属合金制成，并且环13，如果需要的话，可由基于铁、镍或钴的合金制成。