一種B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法。該方法包括如下步驟：1）按配比選取Ni粉、Al粉、Mo粉、Nb粉、納米石墨烯及WS2粉，得到配料；2）將上述配料置于振動(dòng)球磨機(jī)內(nèi)干磨，振動(dòng)球磨罐內(nèi)壁為聚四氟乙烯，振動(dòng)頻率為45Hz，振幅為5mm，振動(dòng)力為10000N，振蕩時(shí)間為30-50分鐘，得到預(yù)處理好的混合粉末；3）將預(yù)處理好的混合粉末置于內(nèi)直徑為20mm的石墨模具中，然后真空條件下采取放電等離子燒結(jié)方法得到所述B2型鎳鋁基自潤(rùn)滑復(fù)合材料。該方法制備得到的自潤(rùn)滑復(fù)合材料純度高、致密性好，且具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。此外，本發(fā)明采取的放電等離子燒結(jié)方法降低了燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)間，步驟方法簡(jiǎn)單便捷，適用于規(guī)?；可a(chǎn)。
【專利說(shuō)明】一種B2型NiAI基自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種含層狀二硫化鎢和納米石墨烯協(xié)同潤(rùn)滑增強(qiáng)的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]B2型NiAl金屬間化合物因具有高熔點(diǎn)(1640°C)，低密度(5.86g/cm3),高導(dǎo)熱系數(shù)，抗氧化能力，高溫穩(wěn)定性等獨(dú)特的物理機(jī)械特性，已作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于高溫等惡劣環(huán)境。([I]劉午，高強(qiáng)，吳艷萍.NiAl基復(fù)合材料的研究進(jìn)展.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24(4):595-598.)。
[0003]然而，作為結(jié)構(gòu)材料，在許多情況下，NiAl金屬間化合物不可避免的會(huì)和其它材料發(fā)生摩擦，因此，NiAl金屬間化合物的摩擦學(xué)性能也十分重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)NiAl金屬間化合物的摩擦學(xué)性能開(kāi)展了大量的研究，發(fā)現(xiàn)其摩擦學(xué)性能受到其低溫塑性，低強(qiáng)度和高溫抗蠕變性的影響。為了克服這些缺點(diǎn)，一些措施如固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、氧化物彌散強(qiáng)化等被使用。([2]Guo J, Wang Z, Sheng L, et al.Wear properties of NiAlbased materials.Progress in Natural Science!Materials International，2012，22(5):414-425; [3] Johnson B Jj Kennedy F E，Baker 1.Dry sliding wear of NiAl.Wear, 1996，192(1):241-247.)。已有研究在一定程度上改善了 NiAl金屬間化合物的摩擦學(xué)性能，但航空航天等高新工業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)材料的摩擦、磨損和潤(rùn)滑提出了更苛刻的要求；單純的通過(guò)改善NiAl金屬間化合物的機(jī)械物理性能,來(lái)提高NiAl金屬間化合物的摩擦學(xué)性能已不能滿足要求，因此迫切要求發(fā)展相適應(yīng)的潤(rùn)滑劑和自潤(rùn)滑材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于`提供一種含層狀二硫化鎢和納米石墨烯協(xié)同潤(rùn)滑增強(qiáng)的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料及其制備方法，該方法制備的自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，且制備方法工藝簡(jiǎn)單易實(shí)施，工藝參數(shù)可控制。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的方案為:一種B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于，它由Ni粉、Al粉、Mo粉、Nb粉、WS2粉和納米石墨烯合成，其中Ni粉、Al粉、Mo粉、Nb粉的摩爾比為48:50:1:1，加入的納米石墨烯為Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉總質(zhì)量的l-3wt.%，加入的WS2粉為Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉總質(zhì)量的4-8wt.%。
[0006]上述B2型鎳鋁基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于它包括如下步驟:
[0007]I)按 Ni:A1:Mo:Nb=48:50:1:1 (摩爾比)，選取 Ni 粉、Al 粉、Mo 粉和 Nb 粉混合，得到混合粉末；按納米石墨烯的加入量為Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉總質(zhì)量的1.5-3wt.%，選取納米石墨烯，按WS2粉為Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉的總質(zhì)量的4-8wt.%，選取WS2粉，添加納米石墨烯和WS2粉到所述混合粉末中，得到配料。
[0008]2)將上述配料置于振動(dòng)球磨機(jī)內(nèi)干磨，振動(dòng)球磨罐內(nèi)壁為聚四氟乙烯，振動(dòng)頻率為45Hz，振幅為5mm，振動(dòng)力為10000N，功率為0.75千瓦，振蕩時(shí)間為30-50分鐘，得到預(yù)處理好的混合粉末；
[0009]3)將預(yù)處理好的混合粉末置于內(nèi)直徑為20mm的石墨模具中，然后真空條件下采取放電等離子燒結(jié)方法，燒結(jié)溫度為1120-1160°C、升溫速率為110-150°C /min、燒結(jié)壓力為35-45MPa、真空度為I X 10_2_5 X 10_2Pa、保溫時(shí)間為5_9min，即燒結(jié)得到所述B2型鎳鋁基自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]1、制備快捷、可行性高:制備過(guò)程中利用SPS進(jìn)行材料的燒結(jié)，反應(yīng)周期短，工藝參數(shù)穩(wěn)定，能夠快速地制備該復(fù)合材料，且該復(fù)合材料純度高，具有良好的摩擦、磨損和潤(rùn)滑性能，并適用于規(guī)?；可a(chǎn)。
[0012]2、制備過(guò)程工藝步驟少，所需設(shè)備簡(jiǎn)單:具有原料來(lái)源廣泛、價(jià)格較低、工藝簡(jiǎn)單、容易控制的特點(diǎn)。
[0013]3、在避免NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料顆粒表面污染及氧化問(wèn)題基礎(chǔ)上，采用SPS來(lái)制備致密度高，具有優(yōu)異綜合性能的含石墨烯和WS2的NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，可以降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)間，例如合成溫度低1120-1160°C，合成時(shí)間短5-9min，節(jié)約能源，降低合成成本。
[0014]4、本發(fā)明制備的B2型NiAl基復(fù)合材料是一種新型自潤(rùn)滑復(fù)合材料。它是由NiAl基體、以極具有針對(duì)性的增強(qiáng)相石墨烯和潤(rùn)滑相WS2設(shè)計(jì)而成的高性能自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0015]5、本發(fā)明制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有良好的摩擦學(xué)性能。
[0016]綜上所述，本發(fā)明針對(duì)NiAl金屬間化合物的不足，對(duì)應(yīng)的將增強(qiáng)相石墨烯和潤(rùn)滑相二硫化鎢添加到NiAl基中，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)合成B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料。不僅能夠有效的改善其低溫塑性、強(qiáng)度等機(jī)械物理性能的不足，還能夠在摩擦過(guò)程中起到減摩耐磨和潤(rùn)滑作用。因此這種新型的自潤(rùn)滑材料，極可能滿足高新工業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的摩擦、磨損和潤(rùn)滑提出的要求。另外，這種采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)合成的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其純度高、致密度好，且具有高性能、寬溫域響應(yīng)等特性，并適用于規(guī)?；可a(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明的制備工藝流程圖。
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的X射線衍射曲線。
[0019]圖3是本發(fā)明所用的納米石墨烯的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片。
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料斷口的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片。
[0021]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料摩擦磨損表面的電子探針照片，測(cè)試條件為:室溫、載荷15N、滑動(dòng)速度0.3m/s、時(shí)間60min、摩擦半徑3_、摩擦副為直徑 6mm 的 Si3N4 球(HV15GPa，Ra0.02 μ m)。
[0022]圖6是本發(fā)明實(shí)施例3制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料摩擦磨損層斷口的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片，測(cè)試條件為:室溫、載荷15N、滑動(dòng)速度0.3m/s、時(shí)間60min、摩擦半徑3mm、摩擦副為直徑 6_ 的 Si3N4 球(HV15GPa，Ra0.02 μ m)。
[0023]圖7-9分別為室溫條件下，測(cè)試本發(fā)明實(shí)施例1、2、3所制得的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)曲線，測(cè)試條件為:載荷15N、滑動(dòng)速度0.3m/s、時(shí)間60min、摩擦半徑3mm、摩擦副為直徑6mm的Si3N4球(HV15GPa，Ra0.02 μ m)。
[0024]圖10是室溫條件下，測(cè)試本發(fā)明實(shí)施例1、2、3所制得的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的磨損率圖，測(cè)試條件為:載荷15N、滑動(dòng)速度0.3m/s、時(shí)間60min、摩擦半徑3mm、摩擦副為直徑 6mm 的 Si3N4 球(HV1ISGPa, Ra0.02 μ m)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0026]實(shí)施例1:
[0027]如圖1所示，B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，它包括如下步驟:
[0028]I)以Ni粉、Al粉為基體原料，石墨烯和WS2為固體潤(rùn)滑劑和增強(qiáng)相，按Ni:A1:Mo:Nb=48:50:1:1的摩爾比配金屬間化合物NiAl基體預(yù)燒結(jié)粉料，稱取6.469克Ni粉、3.097克Al粉，0.221克Mo粉和0.213克Nb粉共計(jì)10g，然后添加0.1克納米石墨烯和0.4克WS2到上述的混合粉末中，得到配料；
[0029]2)將上述配料置于振動(dòng)球磨機(jī)內(nèi)干磨，振動(dòng)球磨罐內(nèi)壁為聚四氟乙烯，振動(dòng)頻率為45Hz，振幅為5mm，振動(dòng)力為10000N，功率為0.75千瓦，振蕩時(shí)間為30分鐘，得到預(yù)處理好的混合粉末；
[0030]3)將預(yù)處理好的混合粉末置于內(nèi)直徑為20mm的石墨模具中，然后真空條件下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)。其中燒結(jié)溫度為1120°C、升溫速率為110°C /min、燒結(jié)壓力為35MPa、保溫時(shí)間5min、真空度為5X 10_2Pa，制備出B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0031]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的X射線衍射曲線。如圖2所示，出現(xiàn)了 NiAUWS2和C峰，說(shuō)明該復(fù)合材料主要組成相有NiAl基體相，WS2潤(rùn)滑相。圖3是本發(fā)明所用的納米石墨烯的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片。圖3說(shuō)明納米石墨烯表面存在著大量皺紋和皺褶，單層石墨烯厚度約為5-8nm。圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料斷口的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片。圖4說(shuō)明實(shí)施例1制備出的復(fù)合材料致密度高，石墨烯分布在基體晶界處或嵌入在基體中，保證B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的優(yōu)異綜合性能。并且結(jié)合圖3和圖4可以確定該復(fù)合材料主要組成相含有石墨烯潤(rùn)滑增強(qiáng)相。采用維氏硬度儀測(cè)試實(shí)施例1所制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的硬度為6.45GPa，依據(jù)排水法測(cè)試該復(fù)合材料的實(shí)際密度與理論密度計(jì)算相對(duì)密度為98.1%。圖7-9是實(shí)施例1、2、3所制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料在室溫載荷為15N條件下動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)曲線，圖7說(shuō)明實(shí)施例1制備復(fù)合材料的摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度小、平均值約為0.28。圖10是室溫載荷為15N條件下，測(cè)試本發(fā)明實(shí)施例1、2、3所制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的磨損率圖，圖10表明實(shí)施例1制備復(fù)合材料的磨損率分別為4.26X IO-WNV10故實(shí)施例I制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的摩擦學(xué)性能。
[0032]實(shí)施例2:
[0033]I)以Ni粉、Al粉為基體原料，石墨烯和WS2為固體潤(rùn)滑劑和增強(qiáng)相，按Ni:A1:Mo:Nb=48:50:1:1的摩爾比配金屬間化合物NiAl基體預(yù)燒結(jié)粉料，稱取6.469克Ni粉、3.097克Al粉，0.221克Mo粉和0.213克Nb粉共計(jì)IOg,然后添加0.2克納米石墨烯和0.6克WS2到上述的混合粉末中，得到配料；
[0034]2)將上述配料置于振動(dòng)球磨機(jī)內(nèi)干磨，振動(dòng)球磨罐內(nèi)壁為聚四氟乙烯，振動(dòng)頻率為45Hz，振幅為5mm，振動(dòng)力為10000N，功率為0.75千瓦，振蕩時(shí)間為40分鐘，得到預(yù)處理好的混合粉末；
[0035]3)將預(yù)處理好的混合粉末置于內(nèi)直徑為20mm的石墨模具中，然后真空條件下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)。其中燒結(jié)溫度為1140°C、升溫速率為130°C /min、燒結(jié)壓力為40MPa、保溫時(shí)間7min、真空度為3X 10_2Pa，制備出B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0036]采用維氏硬度儀測(cè)試實(shí)施例2所制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的硬度為6.24GPa，依據(jù)排水法測(cè)試該復(fù)合材料的實(shí)際密度與理論密度計(jì)算相對(duì)密度為97.8%。圖5是本發(fā)明實(shí)施例2制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦磨損表面的電子探針照片，圖5說(shuō)明實(shí)施例2制備復(fù)合材料摩擦磨損表面光滑，保證其具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。另外，圖8說(shuō)明實(shí)施例2制備復(fù)合材料的摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度小、平均值約為0.27，圖10表明實(shí)施例2制備復(fù)合材料的磨損率為3.68X 10-?!!!?-1!!!'體現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能。
[0037]實(shí)施例3:
[0038]I)以Ni粉、Al粉為基體原料，石墨烯和WS2為固體潤(rùn)滑劑和增強(qiáng)相，按Ni:A1:Mo:Nb=48:50:1:1的摩爾比配金屬間化合物NiAl基體預(yù)燒結(jié)粉料，稱取6.469克Ni粉、3.097克Al粉，0.221克Mo粉和0.213克Nb粉共計(jì)IOg,然后添加0.3克納米石墨烯和0.8克WS2到上述的混合粉末中，得到配料；
[0039]2)將上述配料置于振動(dòng)球磨機(jī)內(nèi)干磨，振動(dòng)球磨罐內(nèi)壁為聚四氟乙烯，振動(dòng)頻率為45Hz，振幅為5mm，振動(dòng)力為10000N，功率為0.75千瓦，振蕩時(shí)間為50分鐘，得到預(yù)處理好的混合粉末；
[0040]3)將預(yù)處理好的混合粉末置于內(nèi)直徑為20mm的石墨模具中，然后真空條件下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)。其中燒結(jié)溫度為1160°C、升溫速率為150°C /min、燒結(jié)壓力為45MPa、保溫時(shí)間9min、真空度為I X W2Pa,制備出B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
[0041]采用維氏硬度儀測(cè)試實(shí)施例3所制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的硬度為
6.0lGPa,依據(jù)排水法測(cè)試該復(fù)合材料的實(shí)際密度與理論密度計(jì)算相對(duì)密度為97.2%。圖6是本發(fā)明實(shí)施例3制備的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料摩擦磨損層斷口的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片。圖6顯示了摩擦磨損表面下方出現(xiàn)了分層，在靠近磨損表面的位置，形成了一層潤(rùn)滑膜，在摩擦磨損過(guò)程中能夠起到很好的減摩抗磨作用，在潤(rùn)滑膜下方，結(jié)構(gòu)緊湊，層與層之間結(jié)合緊密，表明其具有較好的摩擦學(xué)性能。另外，圖9說(shuō)明實(shí)施例3制備復(fù)合材料的摩擦系數(shù)波動(dòng)幅度小、平均值約為0.27，圖10表明實(shí)施例3制備復(fù)合材料的磨損率為4.01 X I(T5mm3N-1Iir1,體現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能。
[0042]本發(fā)明所列舉的各原料配比都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，以及各原料的上下限取值、區(qū)間值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明的工藝參數(shù)(如燒結(jié)溫度、升溫速率、燒結(jié)壓力等)的上下限取值以及區(qū)間值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，其特征在于，它由Ni粉、Al粉、Mo粉、Nb粉、WS2粉和納米石墨烯合成，其中Ni粉、Al粉、Mo粉、Nb粉的摩爾比為48:50:1:1，加入的納米石墨烯為Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉總質(zhì)量的l_3wt.%，加入的WS2粉為Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉總質(zhì)量的4-8wt.%。
2.—種B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于它包括如下步驟: 1)按摩爾比為Ni:A1:Mo:Nb=48:50:1:1，選取Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉；按納米石墨烯的加入量為Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉總質(zhì)量的l_3wt.%，選取納米石墨烯；按WS2粉為Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉總質(zhì)量的4-8wt.%，選取WS2粉；將Ni粉、Al粉、Mo粉和Nb粉混合，得到混合粉末，然后添加納米石墨烯和WS2到所述混合粉末中，得到配料； 2)將上述配料置于振動(dòng)球磨機(jī)內(nèi)干磨，得到預(yù)處理好的混合粉末； 3)將預(yù)處理好的混合粉末置于石墨模具中，然后真空條件下采取放電等離子燒結(jié)得到B2型NiAl自潤(rùn)滑復(fù)合材料。
3.如權(quán)利要求2所述的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中的振動(dòng)球磨機(jī)的振動(dòng)球磨罐內(nèi)壁為聚四氟乙烯，振動(dòng)頻率為45Hz，振幅為5mm，振動(dòng)力為10000N，振蕩時(shí)間為30-50分鐘。
4.如權(quán)利要求2所述的B2型NiAl基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3)所述的放電等離子燒結(jié)工藝為:燒結(jié)溫度為1120-1160°C、升溫速率為110-150°C /min、燒結(jié)壓力為35-45MPa、真空度為I X l(T2Pa_5 X l(T2Pa、保溫時(shí)間為5_9min。
【文檔編號(hào)】C22C1/05GK103752819SQ201410054651
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】史曉亮, 姚杰, 徐增師, 翟文正, 宋思遠(yuǎn), 陳龍, 朱慶帥, 肖業(yè)成, 章橋新, 王玉伏, 馮四平, 張崧 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)