專利名稱：一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎳鋁基復(fù)合材料的高溫自潤滑應(yīng)用技術(shù)，具體為一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
金屬間化合物NiAl是理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有高熔點(diǎn)(1640° C)、高導(dǎo)熱率(70 80W/m.K)、低密度(5.86g/cm3)以及優(yōu)異的抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)。然而，NiAl由于室溫拉伸塑性差、室溫?cái)嗔芽沽Φ秃透邷貜?qiáng)度不足以及高溫蠕變抗力低等問題一直不能廣泛的投入實(shí)用化。目前NiAl除了作為Ni基和Co基高溫合金的涂層材料廣泛應(yīng)用之外，還沒有作為高溫結(jié)構(gòu)材料和功能材料而得到廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)槿藗儍H從制備內(nèi)生和外生復(fù)合材料的角度出發(fā)，采用固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、氧化物彌散強(qiáng)化(ODS)等方法，提高了 NiAl合金的抗高溫蠕變 性能和室溫?cái)嗔秧g性，但是還難以滿足使NiAl基合金同時(shí)達(dá)到具有足夠的室溫?cái)嗔秧g性，可以與高溫合金相比擬的蠕變強(qiáng)度，以及2%的室溫拉伸塑性的要求。中國科學(xué)院金屬研究所與湖南科技大學(xué)考慮到摩擦磨損工況下自然的壓應(yīng)力狀態(tài)，研究了原位內(nèi)生NiAl-A1203-TiC復(fù)合材料、NiAl-Cr (Mo) -Ho-Hf共晶合金和NiAl-Cr (Mo) -CrxSy復(fù)合材料的摩擦磨損性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，室溫摩擦磨損工況下，合金的拉伸塑性與硬度、強(qiáng)度、壓縮塑性和加工硬化能力相比成為次要的性能指標(biāo)，其干摩擦磨損受控于塑性變形，具有較好的耐磨損性能；在大氣和干摩擦的條件下，合金在700°C 900°C的高溫摩擦磨損中可以產(chǎn)生良好的自潤滑和耐磨損效果,摩擦系數(shù)和磨損率低于Ni基自潤滑合金(合金含有W、Mo、Co)，自潤滑特性具有持久性。另外，NiAl-Cr(Mo)-CrxSy復(fù)合材料在200°C 400°C摩擦表面形成CrxSy潤滑膜，產(chǎn)生了自潤滑特性，為研制更寬溫度范圍的NiAl基自潤滑材料提供了研究思路。目前關(guān)于NiAl基合金要作為自潤滑材料而廣泛應(yīng)用，需主要解決三個(gè)問題:①常溫至200°C的自潤滑性能 ’②500°C至600°C的自潤滑性能；@需解決1000°C的自潤滑性倉泛。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是:一種NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用，NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為機(jī)構(gòu)滑動部件用室溫至600° C自潤滑材料，對磨件材料為SiC, Si3N4或Al2O3陶瓷材料。所述的一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用，載荷為20 115N，滑動速度為0.2 0.45m/s，滑動摩擦方式為銷-盤式旋轉(zhuǎn)滑動或往復(fù)式滑動，應(yīng)用于室溫至600° C大氣條件下處于摩擦磨損工況的機(jī)構(gòu)滑動部件。所述的一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.23 0.29。所述的一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-lB復(fù)合材料的摩擦表面形成氧化物潤滑膜。所述的一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用，NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB復(fù)合材料的摩擦表面形成的氧化物潤滑膜為B的氧化物潤滑膜。本發(fā)明的有益效果在于:①本發(fā)明NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金組織由NiAl、r、Cr2Ta、TaB和(Ta，Cr) 3B2相組成。在摩擦磨損過程中，組織中的TaB和Ta，Cr) 3B2相中的B元素在摩擦表面形成B的氧化物潤滑膜，由于該潤滑膜在擦磨損中具有自修復(fù)性能，室溫至600 ° C具有持久自潤滑性能。解決了 NiAl合金常溫至200 V的自潤滑性能和500 V至600°C的自潤滑性能的難題。②本明NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金可以分別與SiC、Si3N4和Al2O3陶瓷材料配副，用范圍比較廣。③本發(fā)明將NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為自潤滑耐磨材料，添加了 Ta和Cr作為強(qiáng)化元素的NiAl基合金，合金在室溫至600° C的壓縮強(qiáng)、塑性與硬度優(yōu)異，在載荷為壓應(yīng)力的磨損工況下，室溫至600° C摩擦磨損能展現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑性能，摩擦系數(shù)為0.23 0.29。


圖lNiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB 合金的 SEM 形貌。圖2NiAl_2.5Ta-7.5Cr-lB 合金的 X 衍射圖譜。

圖3室溫下CNiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)變化趨勢。圖4室溫下NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金摩擦表面潤滑膜形貌。圖5100°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)變化趨勢。圖6100°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面潤滑膜形貌。圖7200°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)變化趨勢。圖8200°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面潤滑膜形貌。圖9300°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)變化趨勢。圖10300°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面潤滑膜形貌。圖11400°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)變化趨勢。圖12400°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面潤滑膜形貌。圖13500°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)變化趨勢。圖14500°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面潤滑膜形貌。圖15600°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)變化趨勢。圖16600°C下NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面潤滑膜形貌。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用方法按如下步驟實(shí)施:1、將NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金塊體樣品固定在下試樣夾具上，陶瓷球固定在上試樣夾具上，置于加熱電爐內(nèi)升溫，升溫速度為20° C/分鐘，溫度升到設(shè)定溫度后，保溫2min，加載，上試樣軸帶動陶瓷球轉(zhuǎn)動開始摩擦磨損。常溫 400° C采用HSR-2M型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試摩擦磨損性能，500 600° C采用HT-1000型高溫銷-盤旋轉(zhuǎn)滑動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試摩擦磨損性能。2、載荷為20 115N，滑動速率為0.2 0.45m/s,摩擦磨損實(shí)驗(yàn)溫度為室溫 600° C，大氣下干摩擦。表I為在不同溫度下NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金的摩擦系數(shù)，為0.23 0.29。表I不同溫度下NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金的摩擦系數(shù)
I 常溫 |100°C |200°C 1300 °C 1400 °C 1500 °C |600°CNiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B 0.27 0.25 025 024 0Γ29 0.23 029NiAl-2.5Ta-7.5Cr 0Γ36 0.34 041 0 43 0 45 0.48 052實(shí)施例1本實(shí)施例磨損溫度為室溫，對磨件為SiC陶瓷，載荷為45N，滑動速率為0.3m/s,磨損時(shí)間為lOmin，滑行距離為180m。將NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金塊體樣品固定在下試樣夾具上，SiC陶瓷材料固定在上試樣夾具上，加載，上試樣軸帶動SiC球試樣高速往復(fù)開始摩擦磨損。如圖2所示，實(shí)施例1中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)隨磨損實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，磨損5s后，摩擦系數(shù)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測得平均摩擦系數(shù)為0.25。如圖3所示，實(shí)施 例1中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了較平整、較光滑、完整的潤滑膜，潤滑膜有少量的剝落特征。實(shí)施例2本實(shí)施例磨損溫度為100° C，對磨件為Si3N4陶瓷，載荷為80N，滑動速率為0.2m/s,磨損時(shí)間為IOmin,滑行距離為120m。將NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金塊體樣品固定在下試樣夾具上，Si3N4陶瓷材料固定在上試樣夾具上，置于加熱電爐內(nèi)，加熱溫度為100° C，升溫速度為20° C/分鐘，溫度升到100° C后，保溫2min，加載，上試樣軸帶動Si3N4球試樣高速往復(fù)開始摩擦磨損，停機(jī)后在空氣中冷卻至室溫。如圖4所示，實(shí)施例2中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)隨磨損實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，磨損5s后，摩擦系數(shù)降至0.25附近，并保持穩(wěn)定，測得平均摩擦系數(shù)為0.25。如圖5所示，實(shí)施例2中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、光滑、完整的氧化物潤滑膜，潤滑膜有點(diǎn)狀和少量塊狀的剝落特征。實(shí)施例3本實(shí)施例磨損溫度為200° C，對磨件為Si3N4陶瓷，載荷為115N，滑動速率為
0.45m/s，磨損時(shí)間為lOmin，滑行距離為270m。將NiAl-2.5Ta_7.5Cr_4B合金塊體樣品固定在下試樣夾具上，Si3N4陶瓷球固定在上試樣夾具上，置于加熱電爐內(nèi)，加熱溫度為200° C，升溫速度為20° C/分鐘，溫度升到200° C后，保溫2min，加載，上試樣軸帶動Si3N4陶瓷球高速往復(fù)開始摩擦磨損，停機(jī)后在空氣中冷卻至室溫。
如圖6所示，實(shí)施例3中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_4B合金摩擦系數(shù)隨磨損實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，磨損5s后，摩擦系數(shù)降至0.24附近，并基本保持穩(wěn)定，測得平均摩擦系數(shù)為0.24。如圖7所示，實(shí)施例3中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、光滑、完整的氧化物潤滑膜，潤滑膜有點(diǎn)狀的剝落特征。實(shí)施例4本實(shí)施例磨損溫度為300° C，對磨件為Al2O3陶瓷，載荷為80N，滑動速率為
0.45m/s，磨損時(shí)間為lOmin，滑行距離為270m。將NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金塊體樣品固定在下試樣夾具上，Al2O3陶瓷球固定在上試樣夾具上，置于加熱電爐內(nèi)，加熱溫度為300° C，升溫速度為20° C/分鐘，溫度升到300° C后，保溫2min，加載，上試樣軸帶動Al2O3陶瓷球高速往復(fù)開始摩擦磨損，停機(jī)后在空氣中冷卻至室溫。如圖8所示，實(shí)施例4中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)隨磨損實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，磨損5s后，摩擦系數(shù)在0.29附近，并保持穩(wěn)定，測得平均摩擦系數(shù)為0.29。如圖9所示，實(shí)施例4中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、光滑、完整的氧化物潤滑膜，潤滑膜有點(diǎn)狀和塊狀的剝落特征。實(shí)施例5本實(shí)施例磨損溫度為400° C，對磨件為Si3N4陶瓷，載荷為80N，滑動速率為0.3m/s,磨損時(shí)間為IOmin,滑行距離為180m。將NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金塊體樣品固定在下試樣夾具上，Si3N4陶瓷球固定在上試樣夾具上，置于加熱電爐內(nèi)，加熱溫度為400° C，升溫速度為20° C/分鐘，溫度升到400° C后，保溫2min，加載，上試樣軸帶動Al2O3陶瓷球高速往復(fù)開始摩擦磨損，停機(jī)后在空氣中冷卻至室溫。
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如圖10所示，實(shí)施例5中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)隨磨損實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，磨損5s后，摩擦系數(shù)在0.24附近并保持穩(wěn)定，測得平均摩擦系數(shù)為0.24。如圖11所示，實(shí)施例5中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、較光滑、完整的氧化物潤滑膜，潤滑膜有少量的剝落特征。實(shí)施例6本實(shí)施例磨損溫度為500° C，對磨件為Si3N4陶瓷，載荷為20N，滑動速率為0.3m/s，磨損時(shí)間為15min，滑行距離為270m。將NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金塊體樣品固定在下試樣夾具上，Si3N4陶瓷球固定在上試樣夾具上，置于加熱電爐內(nèi)，加熱溫度為500° C，升溫速度為20° C/分鐘，溫度升到500° C后，保溫2min，加載，上試樣軸帶動Si3N4陶瓷球旋轉(zhuǎn)開始摩擦磨損，停機(jī)后在空氣中冷卻至室溫。如圖12所示，實(shí)施例6中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)隨磨損實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，最初摩擦系數(shù)大于0.3，磨損IOs后，摩擦系數(shù)在0.23附近并保持穩(wěn)定，測得平均摩擦系數(shù)為0.23。如圖13所示，實(shí)施例6中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、較光滑、完整的氧化物潤滑膜，潤滑膜有少量的剝落特征。實(shí)施例7本實(shí)施例磨損溫度為600° C，對磨件為Si3N4陶瓷，載荷為20N，滑動速率為0.3m/s，磨損時(shí)間為15min，滑行距離為270m。將NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金塊體樣品固定在下試樣夾具上，Si3N4陶瓷球固定在上試樣夾具上，置于加熱電爐內(nèi)，加熱溫度為600° C，升溫速度為20° C/分鐘，溫度升到600° C后，保溫2min，加載，上試樣軸帶動Si3N4陶瓷球旋轉(zhuǎn)開始摩擦磨損，停機(jī)后在空氣中冷卻至室溫。如圖14所示，實(shí)施例7中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦系數(shù)隨磨損實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，最初摩擦系數(shù)大于0.3，磨損IOs后，摩擦系數(shù)降至在0.29附近并保持穩(wěn)定，測得平均摩擦系數(shù)為0.29。如圖15所示，實(shí)施例7中NiAl-2.5Ta_7.5Cr_lB合金摩擦表面形貌可以看出摩擦表面形成了平整、較光滑、完整的氧化物潤滑膜，潤滑膜有少量的剝落特征。實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明采用NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為自潤滑材料，NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金可以與SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料配副，載荷為20 115N，滑動速度為0.2 0.45m/s，應(yīng)用于室溫 600° C大氣條件下處于摩擦磨損工況的機(jī)構(gòu)滑動部件。在此工況下，Ni Al-2.5Ta-7.5Cr-lB合金具有優(yōu)異的自潤滑性能。
權(quán)利要求
1.一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用，其特征在于:NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為機(jī)構(gòu)滑動部件用室溫至600°C自潤滑材料，對磨件材料為SiC, Si3N4或Al2O3陶瓷材料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用，其特征在于:載荷為20 115N，滑動速度為0.2 0.45m/s，滑動摩擦方式為銷-盤式旋轉(zhuǎn)滑動或往復(fù)式滑動，應(yīng)用于室溫至600° C大氣條件下處于摩擦磨損工況的機(jī)構(gòu)滑動部件。
3.如權(quán)利要求1所述的一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用，其特征在于:NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB復(fù)合材料的摩擦系數(shù)為0.23 0.29。
4.如權(quán)利要求1所述的一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用，其特征在于:NiAl-2.5Ta-7.5Cr-lB復(fù)合材料的摩擦表面形成氧化物潤滑膜。
5.如權(quán)利要求4所述的一種NiAl -2.5Ta-7.5Cr_lB合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用，其特征在于:NiAl-2.5Ta-7.5Cr_lB復(fù)合材料的摩擦表面形成的氧化物潤滑膜為B的氧化物潤滑膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金作為高溫自潤滑材料的應(yīng)用。該金采用電解Ni、金屬Al、Cr、Ta以及Ni-B作為原材料，按照NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B的配比，在真空電弧爐中熔煉并澆注。該合金作為機(jī)構(gòu)滑動部件用室溫至600°C自潤滑材料，對磨件材料為SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料，載荷為20～115N，滑動速度為0.2～0.45m/s，滑動摩擦方式為銷-盤式旋轉(zhuǎn)滑動或往復(fù)式滑動。在此工況下，NiAl-2.5Ta-7.5Cr-1B合金具有優(yōu)異的持久自潤滑性能。解決了NiAl基合金常溫至200℃的自潤滑性能和500℃至600℃的自潤滑性能的難題。
文檔編號C22C19/05GK103160712SQ20131012801
公開日2013年6月19日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者王振生, 張孟恩, 楊雙雙, 郭建亭, 周蘭章, 郭源君, 宋力, 趙威為 申請人:湖南科技大學(xué)