專利名稱：一種鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及鎳辛BS復合材料的高溫自潤滑頓技術，具體為一種NiAl-Al203-TiC 復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的鵬。
背景技術：
金屬間化合物NiAl是理想的高溫結構材料，具有高烙點(1640°C)、高導熱 率(70 80W/nvK)、低密度(5.86^cm3)以及優異的抗氧化性能等優點。中國 科學院金屬研究所通過熱壓放熱反應合成了 NiAl-Al2OrTiC復合材料，該復合材 料具有較高硬度、纟，和斷裂韌性，目標在于替代Ni基高 顯合金用于制作先進航 空發動機的渦輪導向葉片、渦輪葉片和火焰筒骨架等零件。但是，由于其室 顯拉 伸塑性為零的缺點沒有得至U根本的解決，目前還無法實際應用。NiAl-Al2OrTiC 復合材料采用Ni粉、Al粉、Ti02粉和碳黑做為原材料，通過真空熱壓原位合成 的方法制成塊體材料，并采用熱等靜壓處理以提高i刺材才料的致密度。文獻l[姜 東濤博士學位論文《原位內生多相NiAl基復合材料的反應合成、組織結構與性 能》，中國科學院金屬研究所，1998年]和文獻2[D.T.Jiang， J.T.Guo， D.LLin， C.X.Shi. METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS, 2000年，31 巻，1692頁]中，報道了 NiAl-Al203-TiC復合材料的制備方法如下將Ni粉(純 度98wtX，粒度〈liam) 、 Al粉(純度98wt^，粒度〈13nm) 、 TiCb粉(純度 98 wt%，粒度〈10)im)和碳黑(純度99.9wt%、粒度〈l^im)，按名義成分為 NiAl-10Vol.% (TiC+Al203)(其中TiC顆粒的體積分數為6%， "203顆粒的體 積分數為4%)均勻混合后，放入石墨模具內冷壓成i央體毛坯。將i央體毛坯置于 真空熱壓感應爐內升溫至135(TC保溫保壓30min，然后隨爐冷卻至室溫，最后將 土央體材料在1300°C/200 MPa ^f牛下進行熱等靜壓處理3小時。
相關文獻報道過二^NiAl合金以及單一增強相的NiAl-T氾2復合材料的室， 擦磨損性能。高^if擦磨損方面只報道過Ni-17.5A1-15Ti-15C (at%)粉末制備的 TiC/(NiAl-Ni3Al)復合材料的摩擦磨損性能，該復合材料主要由Ni3Al相組成，含少
3量的NiAl相，最高摩擦磨損溫度為60(TC， X寸磨件材料為Ni基高溫合金，摩擦系數 為0.4。

發明內容
本發明的目的在于提供一種鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應 用，它開辟了 NiAl基復合材料實際應用的新途徑，提供了 NiAl-Al2OrTiC復合 材料在70(TC 90(TC作為高溫機構滑動用高溫自潤滑耐磨材料的應用技術，采用 本發明的高溫機構滑動部件能獲得優異的持久自潤滑性能和較強的耐磨性能。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是
一種鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用，NiAl-Al203-TiC復合 材料作為高溫機構滑動部件用高溫自潤滑耐磨材料，X寸磨件材料為SiC、 Si具或 A1203陶瓷材料。
所述的鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用，耐磨材料的最大載 荷不超過30N，最大滑動速度不超過0.5m/s，應用于700。C^900。C大氣條j牛下處 于摩擦磨損工況的高溫機構滑動部件。
所述的鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用，NiAl-Al203-TiC復 合材料的磨損表面生成1 3,厚的納米氧化物保護層。
所述的鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用，NiAl-Al203-TiC復 合材料的摩擦系數為0.22~0.29。
所述的鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用，NiAl-Al2OrTiC復 合材料的磨損率為8.5~20m3/mNxl(T14。
本發明具有如下優點
1、 本發明NiAl-Al203-TiC復合材料在摩擦表面生成了厚度為l~3pm的納米 氧化物保護層，由于該保護層在高溫摩擦磨損中具有自修復性能，700°C 900°C 具有持久自潤滑鵬巨，摩擦系數和磨損率均低于M基合金。
2、 本發明NiAl-Al203-TiC復合材料具有良好的抗高溫氧化性能和抗熱腐蝕
性能，可以分別與SiC、 Si3N4和Al203陶瓷材料配副，應用范圍比較廣。
3、 本發明將NiAl-Al203-TiC作為高溫自潤滑耐磨材料，是添加了 "203和 TiC兩種陶瓷顆粒增強相的NiAl基復合材料，在載荷為壓應力的磨損工況， NiAl-Al203-TiC復合材料的室溫拉伸塑性與硬度、強度和加工硬化能力相比成為 次要的性能指標，70CTC 90(TC高M^擦磨損性能展現出優異的自潤滑性能，摩擦系數為0.22^0.29，磨損率為8.5 20m3/mNxl0—14，摩擦系數和磨損率均低于Ni 基合金，可用于代替Ni基高溫自潤滑耐磨材料以及其他高溫自潤滑耐磨材料。


圖1不同溫度下NiAl-Al203-TiC復合材料的摩擦系數。
圖2不同溫度下NiAl-Al203-TiC復合材料的磨損率。
圖3納米氧化物保護層的厚度特征。
圖4納米氧化物保護層高倍TEM形貌。
圖5實施例1中NiAl-Al203-TiC復合材料摩擦系數變化趨勢。
圖6實施例1中NiAl-Al2OrTiC復合材料摩擦表面形貌。
圖7實施例2中NiAl-Al2OrTiC復合材料摩擦系數變化趨勢。
圖8實施例2中NiAl-Al203-TiC復合材料摩擦表面形貌。
圖9實施例3中NiAl-Al2OrTiC復合材料摩擦系數變化趨勢。
圖10實施例3中NiAl-Al2OrTiC復合材料摩擦表面形貌。
具體實施例方式
NiAl-Al203-TiC復合材料采用Ni粉、Al粉、1102粉和碳黑做為原材料，按 名義成分為NiAl-10Vol.% (TiC+Al203)(其中TiC顆粒的體積分數為6%， "203顆粒的體積分數為4%)均勻混合后，通過真空熱壓原位合成的方法制成±央 體毛坯。將塊體毛坯置于真空熱壓感應爐內升溫至1350。C保溫保壓30min，然后 隨爐冷卻至室溫，最后將土央體材料在1300。C/200MPa斜牛下進行熱等靜壓處理3 小時。NiAl-Al2OrTiC復合材料的成分為NiAl-10Vol.% (TiC+Al203)。鎳鋁基 復合材料的原子百分數為43.6Ni-46.8Al-2.4Ti~4.80-2.4C。
本發明的實際應用方法按如下步驟實施
1、 將NiAl-Al203-TiC復合材料銷樣品固定在上試樣夾具上，陶瓷材料固定 在下試樣夾具上，置于加熱電爐內升溫，升溫速度為2(TC/分鐘，溫度到達設定 ^it后保溫加載，上i対羊軸帶動MAl-Al203-TiC復合材料銷轉動開始摩擦磨損。
2、 最大載荷為30N,最大滑動速率為0.5m/s,摩擦磨損實驗^it為700°C^00 °C，大氣下干摩擦。
如圖1所示，NiAl-Al2O3-TiC復合材料的60(TC摩擦系數高于Ni基合金，隨 著磨損試驗溫度升高到700。C， NiAl-Al2OrTiC復合材料的摩擦系數急劇降低到 0.22，磨損試驗溫度繼續升髙到80(TC和90(TC，摩擦系數略有升高，均略低于Ni基合金。
如圖2所示，NiAl-Al2OrTiC復合材料的60(TC磨損率高于Ni基合金，隨著 磨損試驗溫度升高到700°C， NiAl-Al2OrTiC復合材料的磨損率急劇降低為8.5 m3/mNxl(yl4，磨損試驗溫度繼續升高到8(XrC和90(rC，磨損對曾加，均低于Ni
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如圖3所示，在70(TC 90(TC溫度范圍內，NiAl-Al2OrTiC復合材料的磨損 表面均生成1 3pm的NiO-NiAl204-Al203納米氧化物保護層。圖4是該氧化物保 護層的高倍TEM圖像，可見，氧化物顆粒為納米氧化物。 實施例1
本實施例磨損^t為70(TC， X寸磨件為SiC陶瓷，載荷為30N,滑動速率為 0.126m/s，磨損時間為2h，滑行距離為908m。將NiAl-Al2OrTiC復合材料銷樣 品固定在上試樣夾具上，SiC陶瓷材料固定在下試樣夾具上，置于加熱電爐內， 加熱^Jt為70(TC，升溫速度為2(TC/分鐘，Mit升到700。C后保溫加載，上i対羊 軸帶動銷試樣轉動開始摩擦磨損，停機后在空氣中冷卻至室溫。本實施例中，摩 擦表面形成1~3拜厚的納米氧化物保護層，納米氧化物晶粒尺寸為十幾納米至一 百多納米。
如圖5所示，實施例1中NiAl-Al203-TiC復合材料摩擦系數隨磨損實驗的進
行，最初摩擦系數緩侵降低，磨損10力H中后，摩擦系數達到穩定狀態，測得平均
摩擦系數為0.22。
本實施例中，NiAl-Al2OrTiC復合材料的磨損率為8.5m3/mNxlO—14。
如圖6所示，實施例1中NiAl-Al2OrTiC復合材料摩擦表面形貌可以看出，
摩擦表面形成了光滑完整的氧化物保護層。
實施例2
本實施例磨損^it為80(TC，對磨件為SiC陶瓷，載荷為30N，滑動速率為 0.126m/s，磨損時間為2h，滑行距離為908m。 # NiAl-Al2OrTiC復合材料銷樣 品固定在上試樣夾具上，SiC陶瓷材料固定在下i對羊夾具上，置于加熱電爐內， 加辦鵬為800。C,升溫速度為2(TC/^H中，》鵬弁到800。C后保溫加載，上試樣 軸帶動銷試樣轉動開始摩擦磨損，停機后在空氣中冷卻至室溫。本實施例中，摩 擦表面也形成1 3,厚的納米氧化物保護層，納米氧化物晶粒尺寸為十幾納米至 一百多納米。如圖7所示，實施例2中NiAl-Al2OrTiC復合材料摩擦系數隨磨損實驗的進
行，最初摩擦系數緩侵降低，磨損10 iH中后，摩擦系數在0.24附近發生波動，
測得平均摩擦系數為0.24。
本實施例中，MAl-Al2OrTiC復合材料的磨損率為9.9m3/mNxlO-14。
如圖8所示，實施例2中NiAl-Al203-TiC復合材料摩擦表面形貌可以看出，
摩擦表面形成了光滑的氧化物保護層，保護層有點狀和少量±央狀的剝落特征，保
護層的錄l藤導致摩擦系數發生波動。
實施例3
本實施例磨損Mjt為90(TC，對磨件為SiC陶瓷，載荷為30N，滑動速率為 0.126m/s，磨損時間為2h，滑行距離為908m。將NiAl-Al2OrTiC復合材料銷樣 品固定在上試樣夾具上，SiC陶瓷固定在下試樣夾具上，置于加熱電爐內，加熱 鵬為90(rC，升溫速度為20。C/^H中，？鵬升到900。C后保&to載，上i對羊軸帶 動銷試樣轉動開始摩擦磨損，停機后在空氣中冷卻至室溫。本實施例中，摩擦表 面也形成1 3拜厚的納，化物保護層，納米氧化物晶粒尺寸為十幾納米至一百 多納米。
如圖9所示，實施例3中NiAl-Al203-TiC復合材料摩擦系數隨磨損實驗的進 行，最初摩擦系數緩漫降低，磨損10分鐘后，摩擦系數在0.24附近波動，測得 平均摩擦系數為0.24。
本實施例中，NiAl-Al2OrTiC復合材料的磨損率為20m3/mNxlO—14。 如圖10所示，實施例3中NiAl-Al2OrTiC復合材料摩擦表面形貌可以看出， 摩擦表面形成了呈現i央狀剝落和硬的第三體磨粒犁削特征的氧化物保護層，保護
層的錄i藤以及硬的第三體磨茅ix寸保護層的犁削作用導致摩擦系數發生波動。
實施例結果表明，本發明采用NiAl-Al203-TiC復合材料作為高溫自潤滑耐磨 材料，NiAl-Al203-TiC復合材料可以與SiC、 SigN4或Al203陶瓷材料配副，最大 載荷不超過30N，最大滑動速度不超過0.5m/s，應用于700。C^900。C大氣^f牛下 處于摩擦磨損工況的高溫機構滑動部件。在此工況下，NiAl-Al2OrTiC復合材料
具有優異的持久高溫自潤滑性能和耐磨性能。
權利要求
1、一種鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用，其特征在于NiAl-Al2O3-TiC復合材料作為高溫機構滑動部件用高溫自潤滑耐磨材料，對磨件材料為SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料。
2、 按照權利要求1所述的鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨桐料的應用， 其特征在于耐磨材料的最大載荷不超過30N，最大滑動速度不超過0.5m/s，應 用于70(TC 90(TC大氣^[牛下處于摩擦磨損工況的高溫機構滑動部件。
3、 按照權利要求1所述的鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用， 其特征在于NiAl-Al203-TiC復合材料的磨損表面生成1 3,的納米氧化物保護 層。
4、 按照權利要求1所述的鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用， 其特征在于NiAl-Al203-TiC復合材料的摩擦系數為0.22^0.29。
5、 按照權利要求1所述的鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用， 其特征在于NiAl-Al203-TiC復合材料的磨損率為8.5~20m3/mNxlO-14。
全文摘要
本發明涉及鎳鋁基復合材料的高溫自潤滑應用技術，具體為種NiAl-Al₂O₃-TiC復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用。NiAl-Al₂O₃-TiC復合材料采用Ni粉、Al粉、TiO₂粉和碳黑做為原材料，通過真空熱壓原位合成的方法制成塊體材料，并采用熱等靜壓處理以提高塊體材料的致密度。NiAl-Al₂O₃-TiC復合材料的應用如下NiAl-Al₂O₃-TiC復合材料作為高溫機構滑動部件用高溫自潤滑耐磨材料，對磨件材料為SiC、Si₃N₄或Al₂O₃陶瓷材料。耐磨材料的最大載荷不超過30N，最大滑動速度不超過0.5m/s，應用于700℃～900℃大氣條件下處于摩擦磨損工況的高溫機構滑動部件。在此工況下，NiAl-Al₂O₃-TiC復合材料具有優異的持久高溫自潤滑性能和耐磨性能，摩擦系數和磨損率低于Ni基合金，可用于代替Ni基高溫自潤滑耐磨材料以及其他高溫自潤滑耐磨材料。
文檔編號C22C19/03GK101613817SQ20081001205
公開日2009年12月30日 申請日期2008年6月27日 優先權日2008年6月27日
發明者周蘭章, 王振生, 胡壯麒, 億 謝, 郭建亭 申請人:中國科學院金屬研究所