钛铝金属间化合物基自润滑复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种钛铝金属间化合物基自润滑复合材料，其特征在于所述材料按照质量百分比计由以下组分构成：65‑90％的钛铝金属间化合物；和10‑35％的铜包石墨。本发明还涉及钛铝金属间化合物基自润滑复合材料的制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛铝金属间化合物基自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术

金属间化合物基自润滑复合材料是将固体润滑剂添加到金属间化合物基体中而形成的同时具有金属间化合物特性和固体润滑性能的复合材料；其中，基体金属间化合物赋予其一定的强度、硬度、耐高温、耐腐蚀和抗氧化等性能。钛铝金属间化合物具有轻质、高比强、高比刚、耐高温和优良的抗氧化性能等优点，被认为是下一代航空航天用轻质耐高温结构材料。但是，在用作工程应用部件时，例如涡轮叶片、排气阀门和发动机轴承等，摩擦系数较高，磨损较大，这对材料和器件的可靠性和稳定性产生影响。

为了改善钛铝金属间化合物的摩擦学性能，可以加入合适的固体润滑剂。中国专利申请CN105112760A公开了一种钛铝金属间化合物基自润滑复合材料，通过在钛铝金属间化合物基体中添加了5-20％的固体润滑剂(氟化铈和二硫化钼，二者质量比为1:0.9-1.1)，采用真空热压烧结法而制备，所述材料其磨损率在0.27-0.38×10^-4mm³N^-1m^-1范围。中国专利申请CN105779825A公开了一种钛铝基自润滑材料，通过在钛铝金属间化合物基体中添加了2-10％的Ti₂AlN纳米颗粒而制备，并显著提高了材料的润滑和抗磨性能。中国专利申请CN104550904A公开了一种钛铝金属间化合物基复合材料，通过在钛铝金属间化合物基体中添加了1-2％的Mo-B-N版状晶体而制备，所述材料的摩擦系数在0.41-0.43之间。但是这些方法的制备成本较高，材料成分复杂、对设备要求较高，所制备的材料硬度和强度也较低，并且润滑性能也没有达到实际应用要求。

因此，仍需要开发在保证润滑性能的基础上提高材料的硬度和强度的新固体润滑材料。

发明内容

本发明提供了一种钛铝金属间化合物基自润滑复合材料，其特征在于所述材料按照质量百分比计由以下组分构成：

65-90％的钛铝金属间化合物；和

10-35％的铜包石墨。

本发明还提供了所述的钛铝金属间化合物基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)分别称取钛铝金属间化合物粉末和铜包石墨粉末，通过机械球磨混合均匀；

(2)将步骤(1)的混合物采用放电等离子烧结方法进行烧结处理，烧结后自然冷却至室温，得到钛铝金属间化合物基自润滑复合材料。。

本发明具有如下优点：

本发明通过在钛铝金属间化合物基体中添加铜包石墨，改善了钛铝金属间化合物和石墨的润湿性和结合强度。

本发明采用快速烧结技术，即放电等离子烧结方法，其升温快、烧结时间短，进一步改善了钛铝金属间化合物基自润滑复合材料的硬度和强度。

本发明材料的摩擦系数较低并且稳定，磨损率较低；制备工艺简单，通过配方和工艺的调整，可以调控材料性能。

在本发明中，采用组分铜包石墨粉末，铜的存在既可以避免基体与石墨的反应，又可以与钛铝金属间化合物基体形成过渡层来提高钛铝基体和石墨的润湿性，从而在保证润滑性能的基础上提高材料的硬度和强度。

附图说明

图1为本发明实施例3制备的钛铝金属间化合物基自润滑复合材料在5-15N的摩擦曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种钛铝金属间化合物基自润滑复合材料，其特征在于所述材料按照质量百分比计由以下组分构成：

65-90％的钛铝金属间化合物；和

10-35％的铜包石墨。

在一个实施方案中，所述钛铝金属间化合物为70-90质量％，优选70-85质量％，更优选70-80质量％。

在一个优选的实施方案中，所述钛铝金属间化合物例如为70-78质量％，尤其为70-74质量％，所制备的自润滑复合材料的摩擦系数较低并且稳定，磨损率较低。

在一个实施方案中，钛铝金属间化合物的摩尔百分比组成为：48-51％的Ti，45-47.5％的Al，1.5-3.5％的Cr，1.5-3.0％的Nb，以及其他不可避免的杂质；优选49-50％的Ti，45.5-47％的Al，1.5-2.5％的Cr，1.8-2.6％的Nb，以及其他不可避免的杂质。所述钛铝金属间化合物可根据现有技术中已知的方法制备，或购自市售产品。例如，采用市售的产品，其中钛铝合金的摩尔百分比为：50％Ti、46％Al、2％Cr、和2％Nb。

在一个实施方案中，铜包石墨的质量百分比组成为：50％Cu和50％C；铜包石墨采用粒度为200-400目，优选250-350目的粉末形式。所述铜包石墨可根据现有技术中已知的方法制备，或购自市售产品。例如，采用市售的产品，该铜包石墨粉末粒度为300目。

在一个实施方案中，钛铝金属间化合物粒径为50-200μm，优选80-150μm，更优选85-120μm的合金粉末。例如，粒径为85μm的钛铝金属间化合物粉末。

本发明中，选择合适的铜包石墨和钛铝金属间化合物的粒径，有利于提高钛铝基体和石墨的润湿性。

本发明还提供了所述的钛铝金属间化合物基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)分别称取钛铝金属间化合物粉末和铜包石墨粉末，通过机械球磨混合均匀；

(2)将步骤(1)的混合物采用放电等离子烧结方法进行烧结处理，烧结后自然冷却至室温，得到钛铝金属间化合物基自润滑复合材料。

在一个实施方案中，烧结处理参数为：真空度为10^-3-10^-1Pa；升温速率为80-100℃/min，优选90-100℃/min；烧结温度为1000-1150℃，优选1050-1150℃；施加压力为30-40MPa；保温时间为10-15min。

本发明中，选择上述快速升温、短烧结时间的烧结参数，进一步改善了钛铝金属间化合物基自润滑复合材料的硬度和强度。

在一个实施方案中，机械球磨所用的罐和球均为硬质WC，球料质量比为5:1-8:1，转速为100-150转/分钟，球磨时间6-8小时。

在一个实施方案中，本发明的钛铝金属间化合物基自润滑复合材料及其制备方法，具体步骤如下：

钛铝金属间化合物基自润滑复合材料，按质量百分比由70-90％的钛铝和10-30％的铜包石墨组成。其中钛铝合金的摩尔百分比为：50％Ti，46％Al，2％Cr，2％Nb，为市售合金粉末。铜包石墨润滑相中Cu和石墨的质量比为1:1，粒度为300目，为市售粉末。

按上述比例分别称取钛铝金属间化合物粉末和铜包石墨粉末，通过机械球磨获得混合粉末，然后将混合粉末置于放电等离子烧结炉中进行烧结，采用的烧结参数为：真空度为10^-3-10^-1Pa，升温速率为80-100℃/min，烧结温度为1000-1150℃，施加压力为30-40MPa，保温时间为10-15min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到钛铝金属间化合物基自润滑复合材料。

以下采用具体实施例对本发明的材料进行详细说明。

本发明材料的检测方法如下：

摩擦磨损性能采用HT-1000高温摩擦磨损试验机进行评价，对偶球为Si₃N₄陶瓷，载荷为3-15N，滑动线速度为0.1-0.4m/s，摩擦半径为5mm，运行时间为15min。

实施例1

按照质量百分比，分别称取90％钛铝金属间化合物粉末(粒径为85μm；摩尔百分比为：50％Ti，46％Al，2％Cr，2％Nb)和10％铜包石墨粉末(Cu和石墨的质量比为1:1，粒度为350目)，通过机械球磨获得混合粉末，然后将混合粉末置于放电等离子烧结炉中进行烧结，采用的烧结参数为：真空度为5×10^-2Pa，升温速率为90℃/min，烧结温度为1050℃，施加压力为35MPa，保温时间为10min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到钛铝金属间化合物基自润滑复合材料。

所述自润滑复合材料的摩擦系数较小，为0.30，且数据稳定，其磨损率为4.75×10^-4mm³N^-1m^-1，测定在载荷5N、滑动线速度0.2m/s下进行。

实施例2

按照质量百分比，分别称取80％钛铝金属间化合物粉末(粒径为100μm；摩尔百分比为：50％Ti，46％Al，2％Cr，2％Nb)和20％铜包石墨粉末(Cu和石墨的质量比为1:1，粒度为250目)，通过机械球磨获得混合粉末，然后将混合粉末置于放电等离子烧结炉中进行烧结，采用的烧结参数为：真空度为1×10^-3Pa，升温速率为100℃/min，烧结温度为1150℃，施加压力为30MPa，保温时间为15min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到钛铝金属间化合物基自润滑复合材料。

所述自润滑复合材料的摩擦系数较小，为0.29，且数据稳定，其磨损率为3.46×10^-5mm³N^-1m^-1，测定在载荷5N、滑动线速度0.2m/s下进行。

实施例3

按照质量百分比，分别称取70％钛铝金属间化合物粉末(粒径为120μm；摩尔百分比为：50％Ti，46％Al，2％Cr，2％Nb)和30％铜包石墨粉末(Cu和石墨的质量比为1:1，粒度为300目)，通过机械球磨获得混合粉末，然后将混合粉末置于放电等离子烧结炉中进行烧结，采用的烧结参数为：真空度为1×10^-2Pa，升温速率为95℃/min，烧结温度为1100℃，施加压力为40MPa，保温时间为10min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到钛铝金属间化合物基自润滑复合材料。

该自润滑复合材料的摩擦系数较小，为0.16，且数据稳定，其磨损率为8.12×10^-5mm³N^-1m^-1，测定在载荷5N、滑动线速度0.2m/s下进行。