一种宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料及其制备方法，以镍铝合金粉、银粉和硼酸镁粉为原料制备而成，其中银粉质量百分含量2~8%，硼酸镁粉质量百分含量2~8%，余量为镍铝合金粉。复合材料组织结构均匀，润滑相与基体间结合紧密，具备良好的宽温域连续润滑性能和减摩耐磨性能。制备方法如下：按质量百分比称量镍铝合金粉、银粉和硼酸镁粉，得到原始配料；将原始配料置于行星式球磨机中进行机械合金化，得到混合均匀的烧结配料；将烧结配料放入石墨磨具中，在氩气真空保护下采用放电等离子烧结制备，得到宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料。本发明的制备方法工艺简单、参数易控，制备过程安全环保，适于规模化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及金属基自润滑复合材料及其制备技术领域，更具体地，涉及一种具有宽温域连续自润滑功能的新型镍铝基自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术

镍铝合金因具有低密度、高强度、高比模量和良好高温抗氧化能力等优异性能，已为航空、航天和核能工程等高新技术领域最具发展前景的理想轻质结构材料。然而，镍铝合金在干滑动摩擦工况下具有较高的摩擦系数和磨损量，这在很大程度上限制了其在高新技术领域中的广泛应用。

为解决这一技术问题，国内外研究学者通过在镍铝合金中添加WS₂、Ag、ZnO、CaF₂、石墨烯等固体润滑剂制得镍铝基自润滑复合材料，与镍铝合金相比，其摩擦学性能有明显改善。这代表着下一代新型轻质结构材料的发展方向，研究与开发新型固体润滑剂是非常有价值的探索。

航空、航天和核能工程等高新技术领域中严峻工况下结构材料的摩擦、磨损和润滑问题是影响整个系统可靠性和寿命的主要因素，因此迫切需要发展在宽温域具有良好机械强度和摩擦学性能的固体自润滑材料。然而，传统固体润滑剂存在缺陷和局限性：固体润滑剂通常是以牺牲基体材料强度为代价来改善材料摩擦学性能；固体润滑剂通常只能在较窄温度区间具有润滑作用，超出使用温度范围则会导致润滑失效甚至导致严重事故。

为解决这一技术问题，本发明提出银和硼酸镁组合与镍铝合金制备镍铝基复合材料，银作为中低温润滑相、硼酸镁作为增强相和高温润滑相、镍铝合金作为基体。该复合材料有望成为具有宽温域连续自润滑功能的新型结构材料，从而进一步拓展镍铝基自润滑复合材料的工程化应用领域，这意味着本发明研究有着重要的理论与实际意义。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料，该复合材料中银和硼酸镁均匀分布，且与基体间结合紧密，具有良好的宽温域连续自润滑性能。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的制备方法，该方法工艺简单、参数易控，制备过程安全环保，适合大规模工业化生产。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料，所述复合材料以镍铝合金粉、银粉和硼酸镁粉为原料制备而成，其中银粉质量百分数为2~8%，硼酸镁粉质量百分数为2~8%，余量为镍铝合金粉。

本发明中，所述银粉平均粒径15μm，硼酸镁粉平均粒径25nm，镍铝合金粉平均粒径25μm。

本发明中，所述银作为中低温润滑相，硼酸镁作为增强相和高温润滑相，银粉和硼酸镁粉具备优异的协同润滑效应。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种放电等离子烧结制备上述宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的方法，该方法包含下述步骤：

（1）按重量配比称取镍铝合金粉、银粉和硼酸镁粉，得到原始配料；

（2）将原始配料置于行星式球磨机中进行机械合金化，得到混合均匀的烧结配料；

（3）将烧结配料放入石墨磨具中，氩气真空保护下采用放电等离子烧结制备，得到宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料。

所述步骤（1）原始配料中的银粉质量百分含量为2~8%，硼酸镁粉质量百分含量为2~8%，余量为镍铝合金粉。

所述步骤（2）中的球料比为10:1，球磨转速200~600r/min，球磨时间4~8小时。

所述步骤（3）中烧结温度为900~1100℃，升温速率100~140℃/min，烧结压强30~40MPa，保温时间6~10min。

本发明的有益效果是：1、本发明制备的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料同时含有增强相和低、中、高温润滑相，组织结构均匀，在25℃至800℃区间具有连续自润滑性能和抗磨减摩性能； 2、银和硼酸镁具备优异的协同润滑效应，在新型宽温域连续自润滑材料中具有广泛应用前景；3、放电等离子烧结工艺简单、参数易控，制备过程安全环保，适于规模化生产； 4、原材料来源广泛、对环境无害、成本低廉，易于推广。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图。

图2是实施例1制备的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率随温度变化图，摩擦磨损工况条件为：温度30~800℃、载荷8N、滑动速度0.2m/s、时间80min。

图3是实施例1制备的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料30℃条件下的磨痕表面形貌图。

图4是实施例1制备的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料200℃条件下的磨痕表面形貌图。

图5是实施例1制备的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料400℃条件下的磨痕表面形貌图。

图6是实施例1制备的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料600℃条件下的磨痕表面形貌图。

图7是实施例1制备的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料800℃条件下的磨痕表面形貌图。

图8是实施例2制备的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率随温度变化图，摩擦磨损工况条件为：温度25~800℃、载荷8N、滑动速度0.2m/s、时间80min。

图9是实施例3制备的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率随温度变化图，摩擦磨损工况条件为：温度25~800℃、载荷8N、滑动速度0.2m/s、时间80min。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

本实施例的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）按银粉质量分数为2%、硼酸镁粉质量分数为8%和镍铝合金粉质量分数为90%的比例配料，称量银粉0.2克、硼酸镁粉0.8克和镍铝合金粉9克，得到原始配料，其中银粉的平均粒径为15μm，硼酸镁粉的平均粒径为25nm，镍铝合金粉的平均粒径为25μm；

（2）将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比10:1，转速200r/min，球磨混合4小时，冷却得到混合均匀的烧结配料；

（3）将烧结配料放入石墨磨具中，在真空氩气保护下采用放电等离子烧结，以100℃/min升温速率升至900℃，加压至30MPa，保温6min后降温冷却，制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料。

采用HVS-1000型数显显微维氏硬度仪测试施例1制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的硬度为5.85GPa。图2是实施例1制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率曲线图，由图可知该复合材料室温条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.36和4.11×10^-5mm³/(Nm)，200℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.34和3.62×10^-5mm³/(Nm)，400℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.37和4.04×10^-5mm³/(Nm)，600℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.35和3.45×10^-5mm³/(Nm)，800℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.34和3.12×10^-5mm³/(Nm)，表明该复合材料具有优异的高温抗磨减摩性能。图3至图7是实施例1制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料分别在30℃、200℃、400℃、600℃、800℃条件下的磨痕表面形貌图，从图中可观察到室温至800℃的宽温域条件下的摩擦磨损表面较光滑，均形成了较为完整的润滑膜，这保证了复合材料在宽温域区间具有连续自润滑性能和抗磨减摩性能。

实施例2

本实施例的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）按银粉质量分数为5%、硼酸镁粉质量分数为5%和镍铝合金粉质量分数为90%的比例配料，称量银粉0.5克、硼酸镁粉0.5克和镍铝合金粉9克，得到原始配料；

（2）将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比10:1，转速400r/min，球磨混合6小时，冷却得到混合均匀的烧结配料；

（3）将烧结配料放入石墨磨具中，在真空氩气保护下采用放电等离子烧结，以120℃/min升温速率升至1000℃，加压至35MPa，保温8min后降温冷却，制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料。

采用HVS-1000型数显显微维氏硬度仪测试施例2制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的硬度为6.31GPa。图2是实施例2制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率曲线，由图可知该复合材料室温条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.34和3.71×10^-5mm³/(Nm)，200℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.35和3.62×10^-5mm³/(Nm)，400℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.37和4.15×10^-5mm³/(Nm)，600℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.36和3.75×10^-5mm³/(Nm)，800℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.35和3.42×10^-5mm³/(Nm)，表明该复合材料在室温至800℃的宽温域区间具有连续自润滑性能和抗磨减摩性能。

实施例3

本实施例的宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的制备方法，步骤如下：

（1）按银粉质量分数为8%、硼酸镁粉质量分数为2%和镍铝合金粉质量分数为90%的比例配料，称量银粉0.8克、硼酸镁粉0.2克和镍铝合金粉9克，得到原始配料；

（2）将原始配料置于行星式球磨机中，按球料比10:1，转速600r/min，球磨混合8小时，冷却得到混合均匀的烧结配料；

（3）将烧结配料放入石墨磨具中，在真空氩气保护下采用放电等离子烧结，以140℃/min升温速率升至1100℃，加压至40MPa，保温10min后降温冷却，制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料。

采用HVS-1000型数显显微维氏硬度仪测试施例3制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的硬度为6.48GPa。图3是实施例3制得宽温域连续自润滑型镍铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率曲线，由图可知该复合材料室温条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.35和3.61×10^-5mm³/(Nm)，200℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.37和3.92×10^-5mm³/(Nm)，400℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.36和3.72×10^-5mm³/(Nm)，600℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.34和3.25×10^-5mm³/(Nm)，800℃条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.35和3.55×10^-5mm³/(Nm)，表明该复合材料在室温至800℃的宽温域区间具有连续自润滑性能和抗磨减摩性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。