专利名称：一种镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及镍铝共晶合金的高温自润滑应用技术，具体为一种 NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用。
背景技术：
金属间化合tJMAl具有高熔点(1640°C)、高导热率(70 80W/nvK)、低 密度(5.86^cm3)以及优异的抗氧化性能等优点，是理想的高温结构桐料。 NiAl-28Cr-6Mo共晶合金是一禾中多木gNiAl合金，文献l [Johnson, D. R.， Chen, X. R， Oliver, B. F.， Noebe, R. D.and Whittenbe^ger， J. D. Intermetallics， 1995年,3巻,99-113 页]中，首先报道了NiAl-28Cr-6Mo共晶合金的制备方法和典型力学性能，该合金 的1300KM变强度达到160MPa，室温断裂韧性超a20MPa mlc，并且由于合金 中含有大量的Al和Cr元素，从而具有优异的抗高温氧化性能和抗热腐蚀性能。中 科院金属戶;M过添加少量合金元素制备了多种NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金，进一 步提高了高温强度以及抗氧化性能。MAl-28Cr-6Mo型共晶合金目标在于替^Ni 基高温合金用于制作先进航空发动机的涡轮导向叶片、涡轮工作叶片和火焰筒骨 架等零件。但是，由于其室MM生问题没有得到根本的解决，还无法投入实际应 用。文南ja[C.Y.Cui，J.T.Guo,Y.H.Qi， H.Q.Ye. Intermetallics, 2002年，10巻，1001-1009 页]中，中科院金属所报道了MAl-28Cr-6Mo型共晶合金的制备方法如下采用电 解Ni、金属Al、Cr、Mo、Hf以，o作为原材料，按照NiAl-28Cr-5.6Mo-0.25Ho-0.15Hf (at.%)的配比，在真空感应炉中熔炼后浇注成±央##料。
相关文献报道过二元NiAl合金以及单一增强相的NiAl-TiB2复合材料的室温 摩擦磨损性能。高^j^擦磨损方面只报it31 Ni-17.5Al-15Ti-15C @.%)粉末制备 的TiC/(NiA1-M3A1)复合材料的摩擦磨损性能，该复合材料主要由Ni3Al相组成， 含少量的NiAl相，最高摩擦磨损温度为60(TC，对磨件材料为Ni基高温合金， 摩擦系数为0.4。
发明内容
本发明的目的在于樹共一种镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，
它开辟了镍铝共晶合金实际应用的新途径，提供了一禾中MAl-28Cr-6Mo型共晶合 金在70(TC 90(TC作为高温机构滑动部件用高温自润滑耐磨材料的应用技术，采 用本发明的高温机构滑动部件能获得优异的持久自润滑性能和较强的耐磨性能。 为了实现上述目的，本发明的技术方案是
一种镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，MAl-28Cr-6Mo型共晶 合金作为高温机构滑动部件用高温自润滑耐磨材料，对磨件材料为SiC、 SisN4或 A1203陶瓷材料。
所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，耐磨材料的最大载荷 不超过30N，最大滑动速度不超过0.5m/s，应用于700。C^90(TC大气^(牛下处于 摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。
所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-28Cr-6Mo型共 晶合金的磨损表面生成1~3,厚的纳米氧化物保护层。
所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-28Cr-6Mo型共 晶合金的摩擦系数为0.2(KO.29。
戶，的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-28Cr-6Mo型共 晶合金的磨损率为8.5 18m3/mNxl0—14。
本发明具有如下优点
1、 本发明NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金在摩擦表面生成了厚度为1~3,的纳 米氧化物保护层，由于该保护层在高温摩擦磨损中具有自修复性能，700°C 900 "C具有持久自润滑性能，摩擦系数和磨损率均低于Ni基合金。
2、 本发明NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金具有良好的抗高温氧化性能和抗热腐
蚀性能，可以分别与SiC、 Si3N4和Al203陶瓷材料配副，应用范围比较广。
3、 本发明将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温自润滑耐磨材料，是一禾中 固溶强化、弥散强化、QtMo)共晶相复合强化的MA1基共晶合金，在载荷为压 应力的磨损工况，MAl-28Cr-6Mo型共晶合金的室温拉伸塑性与硬度、强度和加
工硬化能力相比成为次要的性能指标，7ocrc^o(Tc高^f擦磨损性能展现出良
好的自润滑性能，摩擦系数为0.20^0.29，磨损率为8.5~18m3/mNxlO—14，摩擦系
数和磨损率均低于M基合金，可用于代替Ni基高纟显自润滑耐磨材料以及其他高
4 显自润滑耐磨材料。
图1不同温度下MAl-28Cr-6Mo型共晶合金与SiC配副的摩擦系数。 图2不同温度下NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金与SiC配副的磨损率。 图3纳米氧化物保护层的厚度特征。 图4纳米氧化物保护层高倍TEM形貌。
图5实施例1中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。 图6实施例1中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。 图7实施例2中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。 图8实施例2中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。 图9实施例3中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。 图10实施例3中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。 图11实施例4中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。 图12实施例4中NiA1-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。 图13实施例5中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数变化趋势。 图14实施例5中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌。
具体实施例方式
NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金采用电解M、金属Al、 Cr、 Mo、 Hf以及Ho作 为原材料，按照NiAl-28Cr-5.6Mo-0.25Ho-0.15Hf (at.%)的配比，在真空感应炉 中熔炼后浇注成±央#^才料。本发明的实际应用方法按如下步骤实施
1、 将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销样品固定在上试样夹具上，陶瓷材料固 定在下试样夹具上，置于加热电炉内升温，升温速度为2(TC/^I中，温度到达设 定 ，后保温加载，上i對羊轴带动NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销转动开始摩擦磨 损c
2、 最大载荷为30N，最大滑动速率为0.5m/s，摩擦磨损实验温度为700°C^900 。C，大气下干摩擦。
如图1所示，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的6(XTC摩擦系数高于Ni基合金。 随着磨损试验温度升高到700°C， NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的摩擦系数急剧降 低到0.27，磨损试验，继续升高到80(TC和90(rC，摩擦系数略有降低，均低于 Ni基合金。磨损试验温度升高到IOO(TC时共晶合金的摩擦系数決速升高。型共晶合金的60(TC磨损率高于Ni基合金，随 着磨损试验温度升高到700°C， NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率急剧斷氐为 8.5m3/mNxl(Tl4，磨损试验温度继续升高到80(TC和900°C，磨损率增加，均低于 Ni基合金，磨损试验温度升高到IOO(TC时共晶合金的磨损率快速升高。
如图3所示，在70(TC^90(TC温度范围内，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨 损表面均生成1 3,厚的NiO-NiAl204-Al20rCr203纳米氧化物保护层。图4是 该氧化物保护层的高倍TEM图像，可见，氧化物颗粒为纳米氧化物。 实施例1
本实施例磨损^it为8(XTC， X寸磨件为SiC陶瓷，载荷为30N，滑动速率为 0.126m/s，磨损时间为2h，滑行距离为908m。将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销 固定在上试样夹具上，SiC陶瓷材料固定在下i式样夹具上，置于加热电炉内，加 热MS为800。C，升温速度为2(TC/分钟，》鹏升到800。C后保温加载，上i対转由 带动上试样转动开始摩擦磨损。停机后在空气中冷却至室纟显。本实施例中，摩擦 表面形成1~3,厚的纳米氧化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百 多纳米。
如图5所示，实施例1中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数随磨损实验的
謝亍，摩擦系数始终很低，磨损40 ^H中后，摩擦系数达到0.20的稳定状态，测
得平均摩擦系数为0.196。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为9.5m3/mN><10—14。 如图6所7^，实施例1中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌可以看出，
摩擦表面形成了完整光滑的氧化物保护层，该f尉户层有点状剥落的特征。
实施例2
本实施例磨损^jt为80(TC，对磨件为Si3N4陶瓷，载荷为30N，滑动速率为 0.126m/s，磨损时间为2h，滑行距离为908m。将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销
样品固定在上试样夹具上，Si3N4陶瓷材料固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，
加热》驢为80(TC，升f鹏度为2(TC/^H中，？鹏升到80(TC保温加载，上试样轴 带动上试样转动开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。本实施例中，摩擦 表面形成1~3,厚的纳米氧化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百 多纳米。
如图7所示，实施例2中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数随磨损实验的进行发生较大幅度的波动，测得平均摩擦系数为0.29。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为14m3/mNxlO—14。
如图8所示，实施例2中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形貌可以看出，
摩擦表面形成了呈现磨粒磨损特征和塑性变形'特征的氧化物保护层，保护层的局
部剥落导致摩擦系数发生波动。
实施例3
本实施例磨损温度为80(TC， X寸磨件为A1203陶瓷，载荷为30N，滑动速率为 0.126m/s，磨损时间为2h，滑行距离为908m。将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销 固定在上试样夹具上，A1203陶瓷固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，加热 M/t为80(TC，升温速度为20'C/分钟，纟鹏升到80(TC保温加载，上i対羊轴带动 上试样转动开始摩擦磨损，停机后在空气中冷却至室温。本实施例中，摩擦表面 形成1~3阿厚的纳皿化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百多纳 米。
如图9所示，实施例3中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数在摩擦初期迅
速降低，4^l中后达到平稳状态，平均摩擦系数为0.22。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为17m3/mNxl()-14。
如图10所示，实施例3中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的摩擦表面形成了轻
微磨粒磨损、点状剥落和塑性变形特征的氧化物傲户层，硬的第三体磨f妇寸保护
层的犁削作用导致摩擦系数发生轻微波动。
实施例4
本实施例磨损^it为700°C， X才磨件为SiC陶瓷，载荷为30N，滑动速率为 0.126m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为227m。将NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金销 固定在上试样夹具上，SiC陶瓷材料固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，加 热温度为700。C，升温速度为2(TC/^H中，》鹏升到700。C后保温加载，上i対羊轴 带动上i対羊转动开始摩擦磨损。停机后在空气中冷却至室温。本实施例中，摩擦 表面形成1 3(om厚的纳米氧化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百 多纳米。
如图11所示，实施例4中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数在摩擦初期迅 速降低，6^H中后达到平稳状态，平均摩擦系数为0.27。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为8.5m3/mNxlO—14。-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形成了轻微 磨粒磨损和点状剥辦寺征的氧化物保护层，硬的第三体磨米妇寸保护层的犁削作用 导致摩擦系数发生轻微波动。 实施例5
本实施例磨损温度为90(TC， X寸磨件为SiC陶瓷，载荷为30N，滑动速率为 0.126m/s，磨损时间为0.5h，滑行距离为227m。将MAl-28Cr-6Mo型共晶合金销 固定在上试样夹具上，SiC陶瓷材料固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，加 热温度为900。C，升温速度为20。C/力H中，温度升到90(TC后保温加载，上试样轴 带动上试样转动开始摩擦磨损。停机后在空气中冷却至室温。本实施例中，摩擦 表面形成1~3,厚的纳米氧化物保护层，纳米氧化物晶粒尺寸为十几纳米至一百
如图13所示，实施例5中MAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦系数在摩擦初期
M降低，8分钟后达到平稳状态，平均摩擦系数为0.26。
本实施例中，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为18m3/mNxlO—14。
如图14所示，实施例6中NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金摩擦表面形成了磨粒
磨损、i央状剥落和塑性变形特征的氧化物保护层，硬的第三体磨f妇寸保护层的犁
削作用导致摩擦系数发生轻微波动。
实施例结果表明，本发明采用NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温自润滑耐 磨材料，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金可以与SiC、 S^N4或A1203陶瓷材料配副， 最大载荷不超过30N，最大滑动速度不M 0.5m/s，应用于700。C 90(TC大气条 件下处于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。在此工况下，NiAl-28Cr-6Mo型共
晶合金具有优异的持久高纟显自润滑性能和耐磨性能。
8
权利要求
1、一种镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用，其特征在于NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温机构滑动部件用高温自润滑耐磨材料，对磨件材料为SiC、Si3N4或Al2O3陶瓷材料。
2、 按照权利要求1所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用， 其特征在于耐磨材料的最大载荷不皿30N，最大滑动速度不超过0.5m/s，应 用于70(TC^90(TC大气^[牛下处于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。
3、 按照权利要求1所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用， 其特征在于NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损表面生成1 3,的纳米氧化物保 护层。
4、 按照权利要求1所述的镍铝共晶合金作为高 显自润滑耐磨材料的应用， 其特征在于NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的摩擦系数为0.20~0.29。
5、 按照权利要求1所述的镍铝共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用， 其特征在于NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的磨损率为8.5~18m3/mNxlO—14。
全文摘要
本发明涉及镍铝共晶合金的高温自润滑应用技术，具体为一种NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温自润滑耐磨材料的应用。NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金采用电解Ni、金属Al、Cr、Mo、Hf以及Ho作为原材料，按照NiAl-28Cr-5.6Mo-0.25Ho-0.15Hf(at.％)的配比，在真空感应炉中熔炼后浇注成块体材料。NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金的应用如下NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金作为高温机构滑动部件用高温自润滑耐磨材料，对磨件材料为SiC、Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>陶瓷材料。耐磨材料的最大载荷不超过30N，最大滑动速度不超过0.5m/s，应用于700℃～900℃大气条件下处于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。在此工况下，NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金具有优异的持久高温自润滑性能和耐磨性能，摩擦系数和磨损率低于Ni基合金，可用于代替Ni基高温自润滑耐磨材料以及其他高温自润滑耐磨材料。
文档编号C22C30/00GK101613824SQ20081001205
公开日2009年12月30日 申请日期2008年6月27日 优先权日2008年6月27日
发明者周兰章, 王振生, 盛立远, 胡壮麒, 郭建亭 申请人:中国科学院金属研究所