Ni₃Al金属间化合物基固体自润滑复合材料及其制备方法

专利名称：Ni₃Al金属间化合物基固体自润滑复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种含有Ti3SiC2和C 二元复合润滑相和增强相TiC的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料及其制备方法。
背景技术：
随着现代航空、航天和军事工业技术的发展，材料在高温条件下的摩擦、磨损和润滑问题日益受到重视。一般的润滑油脂由于在高温环境下都具有容易蒸发，而无法满足工作要求。固体润滑材料突破了传统油脂润滑的有效极限，可在一些极端工况条件如高温、超低温、超高真空、强辐射等环境下有效地实现润滑。为了更加有效地解决极端工况下的润滑和磨损失效等问题，迫切需要发展先进固体润滑技术突破传统润滑的有效极限、研发新型耐高温自润滑耐磨材料，从而使得高温摩擦学的研究和发展成为目前摩擦学领域的重要研究热点之一。金属间化合物具有一系列的优异性能，如密度低、耐高温、耐腐蚀、耐磨损，且抗氧化能力强等，是最具吸引力的新一代高温结构材料和表面涂层材料。Ni3Al是一种较具代表性的金属间化合物，因具有熔点高、抗蠕变强度大、密度低、耐腐蚀、耐氧化以及其它优异性能，已被广泛应用于航空、冶金、机械、电化学、环保工业等领域，并有进一步发展的潜力和扩大应用的需求。Ni3Al金属间化合物具有良好的机械、化学和物理性能，例如强度随温度的升高而增大，具有良好的抗疲劳能力等，是一种潜在的高温结构材料。Ni3Al金属间化合物的晶体结构为Ll2有序面心立方结构，点阵常数为O. 3567nm，熔点为1397°C，密度为7. 5g/cm3，热膨胀系数为16. 0X10_6/°C，室温屈服强度为200_900MPa，室温延伸率为
2.0-5. 0%。Ni3Al金属间化合物存在室温塑性低、低温易脆的缺点，使其在工程应用上受到严重制约。经过近年来的研究，Ni3Al的室温延展性和塑性等性能都有很大的提高。硼的添加能显著提高Ni3Al的常温和高温韧性；适量的Zr可以改善Ni3Al的塑性、抗蠕变能力和可铸性；Cr是强化Ni3Al基合金的常用元素，它有固溶强化作用，能在一定程度上提高合金的强度和延展性。另外，通过在材料表面和晶界形成一层铬的氧化物膜可提高合金的抗氧化能力；Mo可以提闻Ni3Al基合金的抗硫化和防渗碳性能。Ni3Al基合金在工程方面有很多潜在的应用，如IC6合金应用到航空发动机热端关键部件。IC系列合金应用到①先进喷气发动机叶片、燃烧室部件；②水气轮机的抗汽蚀部件；③模具材料；④耐腐蚀机械部件。BKHA系列合金应用到①发动机静子叶片；②模具材料；③牙科材料。MX246合金应用到①抗汽蚀材料！②高温耐磨材料,如线材热轧导位板；③渗碳构件。Ni3Al基合金在工程应用中，普遍会遇到摩擦磨损问题，例如飞机涡轮叶片在工作过程中会发生强烈的微动磨损，造成叶片形状尺寸的改变，降低发动机性能和效率，而且磨损逐渐发展最终可能会导致叶片整体失效，严重影响飞行安全；另外，涡轮叶片尖端在接触周围的气密封罐时经常处于一种滑动摩擦的条件下；水轮机叶片普遍存在的汽蚀磨损、泥砂磨损以及两种磨损的联合作用问题；线材热轧导位板面临的高温摩擦磨损问题等。、
为了提高Ni3Al基复合材料的摩擦学性能，国内外学者开展了大量的研究工作。Shengyu Zhu等(Shengyu Zhu, Qinling Bi, Jun Yang, Weimin Liu, Qunji Xue. Effectof particle size on tribological behavior of Ni3Al matrix high temperatureself-lubricating composites. Tribology International, 2011, 44 (12):1800-1809.)采用热压烧结粉末冶金方法(升温速率10°C /min、动态真空度10_2Pa、35MPa的烧结压力下，900°C保温15min，然后升温到980°C保温20min)制备了质量组成为Ni3Al、BaF2/CaF2 (5-20%)、Ag (0-15%)和Mo (5-15%)的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料，研究了颗粒尺寸对复合材料力学性能和摩擦学性能的影响。研究结果表明，在室温到1000°C的宽温度范围内，粗颗粒的复合材料与细颗粒的复合材料相比表现出了低的摩擦系数和磨损率。粗颗粒的复合材料与细颗粒的复合材料相比提供良好的变形阻力和高的载荷承载能力，故粗颗粒的复合材料具有低的磨损率。
Shengyu Zhu 等(Shengyu Zhu, Qinling Bi, Jun Yang, Weimin Li. Influenceof Cr content on tribological properties of Ni3Al matrix high temperatureself-lubricating composites. Tribology International, 2011, 44(10):1182-1187.)采用粉末冶金方法制备了 Ni3Al-BaF2-CaF2-Ag-Cr高温固体自润滑复合材料。研究了 Cr含量对室温到1000°C的宽温度范围内固体自润滑复合材料摩擦学性能的影响。研究结果表明，含20wt. %Cr的Ni3Al基固体自润滑复合材料表现了低的摩擦系数
O.24-0. 37和磨损率O. 52-2. 32X IO^mm3N-V10在800°C时，Ni3Al基固体自润滑复合材料表现出了最低的摩擦系数O. 24和磨损率O. 71 X IO-4Him3N-1Iir1。含20wt. %Cr的Ni3Al基固体自润滑复合材料具有优良摩擦磨损性能的原因是20wt. %Cr含量平衡了力学性能和润滑性能之间的关系。Shengyu Zhu 等(Shengyu Zhu, Qinling Bi, Jun Yang, Weimin Liu,Qunji Xue. Ni3Al matrix high temperature self-lubricating composites.Tribology International, 2011, 44(4) : 445-453.)采用粉末冶金方法制备了Ni3Al-BaF2-CaF2-Ag-Cr 高温固体自润滑复合材料。研究了 Ni3Al_6. 2BaF2-3. 8CaF2-12. 5Ag-IOCr、Ni3Al、Ni3Al-6. 2BaF2_3. 8CaF2、Ni3Al_6. 2BaF2_3. 8CaF2_12. 5Ag 等在室温到 80(TC温度范围内的摩擦学行为。研究结果表明，Ni3Al-6. 2BaF2-3. 8CaF2_12. 5Ag-10Cr固体自润滑复合材料的摩擦系数为O. 30-0. 36、磨损率为O. 65-2. 45X IO^mm3NV10低的摩擦系数归功于高温下摩擦化学反应形成的银、氟化物、铬酸盐协同效应。低的磨损率归功于复合材料高的强度和优良的自润滑性能。Shitang Zhang 等(Shitang Zhang, Jiansong Zhou, Baogang Guo, HuidiZhou, Yuping Pu, Jianmin Chen. Preparation and characterization of reactivelysintered Ni3Al-hBN-Ag composite coating on Ni-based superalloy. Journal ofAlloys and Compounds, 2009, 473 (1-2) : 462-466.)在 Ni 基超合金基体上通过反应烧结制备出了 Ni3Al-hBN-Ag金属间化合物基固体自润滑涂层。化学镀Ni的hBN粉末经过热浸渗铝处理制备复合粉末(Ai-Ni-hBN)，其中Al Ni hBN的重量比为12 72 :16，Al =Ni的化学计量比为I 3o 85wt. % Ai-Ni-hBN、15wt.%Ag和少量的B粉作为涂层原材料，GH4169 Ni基超合金(直径24mm、高度8mm)作为基体。由于Ag和hBN的协同润滑效应,制备的反应烧结涂层在室温到800°C温度范围内具有良好的自润滑性能，摩擦系数为O. 32-0. 48、磨损率为 2. 3-5. 2 X 10 5mm3N 1Hi1。Youjun Yu 等(Youjun Yu, Jiansong Zhou, Jianmin Chen, Huidi Zhou, ChunGuo, Baogang Gu. Preparation, microstructure and tribological properties ofNi3Al intermetallic compound coating by laser cladding. Intermetallics, 2010,18 (5) : 871-876.)以Ni粉和Al粉的混合粉末为原料(Ni75Al25 (at. %))采用激光熔覆原位合成了纯相的Ni3Al金属间化合物涂层。室温摩擦磨损试验表明，在2N载荷、摩擦频率8Hz、振幅I. 5mm和磨损时间400s条件下，直径6mm的不锈钢球为摩擦副，低功率密度和能量密度合成的Ni3Al涂层具有优良的摩擦学性能，摩擦系数为O. 35、磨损率为7X KTm^fnT1。Karin Gong 等(Karin Gong, Heli Luo, Di Feng, Changhai Li.Wear of Ni3Al_based materials and its chromium—carbide reinforcedcomposites. Wear, 2008, 265 (11-12) : 1751-1755.)采用等离子旋转电极工艺制备Ni-18. 8A1-10. 7Fe_0. 5Μη_0· 5Τ_0· 2Β (at. %)及含 6vol. %Cr3C2 颗粒的复合粉末，并利用热等静压工艺和铸造工艺制备相应的材料。摩擦磨损试验结果表明，与双相结构相比，单相的Ni3Al基合金表现出提高的抗磨损能力。添加的硬质相Cr3C2对金属间化合物的摩擦学行为起到了积极的作用，特别是在降低磨损率方面。朱定一等(朱定一，关翔锋，陈丽娟，汤伟.新型Ni3Al/石墨高温固体自润滑材料的制备及其性能.中国有色金属学报，2004，14(4) : 528-533.)采用熔炼法，制备出新型Ni3Al/石墨抗高温、耐腐蚀固体自润滑材料。将该材料与GCrl5轴承钢(HRC57)及退火态45#钢(HRC28)进行干摩擦磨损时，当主轴转速为400r/min、法向载荷P为49N时，摩擦因数分别为O. 36和O. 40。丁永军等(丁永军，雷强，骆合力，李尚平.碳化铬/Ni3Al复合材料的室温微动磨损性能.钢铁研究学报，2011，23(8) :44-48.)对比研究了碳化铬/Ni3Al复合材料、传统高温耐磨材料Stellite6合金和T800合金的室温耐微动磨损性能。结果表明，碳化铬/Ni3Al复合材料具有优异的耐微动磨损性能，与GCrl5对磨时，其室温相对耐磨性分别是Stellite6和T800合金的5. 5倍和2. 6倍。通过分析微动磨损机制认为，碳化铬/Ni3Al复合材料优良的耐微动磨损性能可以归因于材料优良的耐磨粒磨损性能、均匀的碳化铬颗粒分布、合理的碳化物增强相尺寸搭配和Ni3Al合金基体优良的力学性能。杨连斌等(杨连斌，俞友军，赵杰荣，周健松，雷自强，陈建敏.激光原位合成Ni3Al金属间化合物覆层及其高温摩擦学性能.中国表面工程，2011，24(3) : 28-32.)利用激光熔覆技术在不锈钢基材表面原位合成了 Ni3Al金属间化合物覆层。结果表明覆层由单相Ni3Al金属间化合物组成；覆层与基材呈良好的冶金结合；覆层的摩擦系数和磨损率在500°C时具有最低值，分别为O. 51和I. 38 X IO^mm3NV1 ο张春福等(张春福，骆合力，陈蓓京，李尚平，冯涤，苏立潍.Ni3Al基合金及其复合材料抗磨粒磨损行为研究.高技术通讯，2002，12(4) :47-51.)研究了一种以Ni3Al为基的复合材料，通过引入WC硬质点来改善材料的抗磨性，并将该材料与Ni3Al基合金和45#淬火钢的抗磨粒磨损行为进行对比研究。结果表明，WC/Ni3Al基复合材料具有良好的抗磨粒磨损性能，其抗磨性是45#淬火钢的3. 34倍,是一种极具潜力的高温抗磨材料。李尚平等(李尚平，骆合力，曹栩，顾国荣，张喜娥，冯涤.Cr3C2/Ni3Al复 合材料的微观组织和室温耐磨性.稀有金属材料与工程，37 (I) : 115-118.)的室温磨粒磨损和微动磨损实验结果表明，Cr3C2/Ni3Al复合材料的耐磨性为Stellitel2合金的2倍左右，较高的硬度、高的碳化物体积分数以及碳化物与Ni3Al基体间良好的界面结合力是Cr3C2/Ni3Al复合材料耐磨性优良的主要原因。曹国剑(曹国剑.放电等离子烧结Ni3Al及其复合材料的高温压缩与抗氧化性能.哈尔滨工业大学工学博士学位论文，2007. 10.)采用机械合金化和放电等离子烧结(SPS)制备Ni3Al及20vol. %(TiB2+TiC) /Ni3Al复合材料，其中TiB2与TiC的体积比为I
I。利用扫描电镜，透射电镜，X射线衍射和差热扫描分析仪等方法研究了混合粉末在机械合金化过程中的组织演变规律以及经SPS后复合材料的微观结构；分析了烧结温度对复合材料的力学性能的影响规律以及复合材料中的强化机制；研究了复合材料的高温压缩变形的变形机制；分析了 Ni3Al的高温抗氧化机制以及陶瓷颗粒对其抗氧化性能的影响机制。
Shengyu Zhu 等(Shengyu Zhu, Qinling Bi, Jun Yang, Weimin Liu. Ni3AlMatrix Composite with Lubricious Tungstate at High Temperatures. TribologyLetters, 2012, 45(2) :251-255.)采用粉末冶金技术路线制备了 Ni3Al-Ag-BaF2/CaF2_W复合材料，研究了室温到800°C宽温度范围内的摩擦学性能。含有15wt. %BaF2/CaF2固体润滑剂的Ni3Al基复合材料表现出了优良的摩擦学性能,摩擦系数为O. 3-0. 4、磨损率为O. 2-6. 29 X IO^mm3NV10高温下由于摩擦化学反应在磨损表面形成的BaWO4和CaWO4提供了优良的润滑性能。宽温度范围内的低摩擦系数归功于Ag、BaF2/CaF2、BaWO4和CaWO4的协同效应。Shengyu Zhu 等(Shengyu Zhu, Qinling Bi, Jun Yang, Weimin Liu.Effect of Fluoride Content on Friction and Wear Performance of Ni3Al MatrixHigh-Temperature Self-Lubricating Composites. Tribology Letters, 2011，43(3) :341-349.)采用粉末冶金技术制备了 Ni3Al-BaF2-CaF2-Ag-Cr自润滑复合材料，研究了氟化物含量的变化对自润滑复合材料力学性能和摩擦学性能的影响。在室温到800°C宽温度范围内，Ni3Al-6. 2BaF2-3. 8CaF2-12. 5Ag-10Cr自润滑复合材料表现出最优的摩擦系数O. 29-0. 38、磨损率4. 2X 1(Γ5-2· 19X ICTWnV1。氟化物在400。。和600°C具有良好的减磨作用。在800°C时，由于摩擦化学反应在磨损表面形成的BaCrO4提供了优良的润滑性能。Shengyu Zhu 等(Shengyu Zhu, Qinling Bi, Jun Yang, Weimin Liu.Tribological Property of Ni3Al Matrix Composites with Addition of BaMoO4.Tribology Letters, 2011，43 (I) :55-63.)釆用粉末冶金技术制备了含 IOwt. %、15wt. %和20wt.% 8&1004的附^1基复合材料，研究了室温到800°C宽温度范围内的摩擦学行为。在制备过程中形成了 BaAl204。Ni3Al复合材料在400°C表现出了较差的摩擦学性能，高的摩擦系数(大于O. 6)、大的磨损率(超过I(T4Him3N4Iir1)tj高温下Ni3Al复合材料表现出优良的自润滑性能和耐磨性能，含15wt. % BaMoO4的复合材料具有最低的磨损率(I. lOXKTmmfnT1)和摩擦系数(O. 26)。在室温到800°C宽温度范围内BaAl2O4没有为Ni3Al复合材料提供润滑性能。综上所述，以往研究通常是在Ni3Al基体中添加固体润滑剂制备复合材料、在其它基体表面上制备Ni3Al基润滑涂层、或在Ni3Al基体掺杂增强相或原位合成单纯增强相。复合材料中润滑剂添加量少对润滑性能改善效果不明显，而润滑剂添加量过多则会导致力学性能的显著下降，同时润滑剂与基体润湿性、界面反应与界面结构的很难控制，润滑剂在制备基体过程中的稳定性也很难 保证；而润滑涂层寿命有限，一旦失效将造成灾难性后果。单纯的增强相对Ni3Al摩擦学性能的改善也是十分有限的。MAX相化合物是一种新型固体，同时具有金属和陶瓷的优良性能。这些化合物可以用统一的分子式Mn+1AXn来表示，当n=3时，称为413相，代表性的化合物有Ti4AlN3 ;当n=2时，代表性的化合物有Ti3SiC2和Ti3GeC2等，简称为312相。当n=l时，代表性的化合物有Ti2AlC和Ti2AlN等，简称为211相，又称为H相。在常温下，其有很好的导热性能和导电性能，有较低的维氏硬度和较高的弹性模量和剪切模量，像金属一样可进行机械加工，并在较高温下具有塑性；同时它又具有陶瓷的性能，有较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和良好的抗氧化性能，即它像陶瓷一样具有高硬度、高熔点、高化学稳定性、高耐磨性等优点，另夕卜，更有意义的是它还具有可与固体润滑剂(MoS2、石墨)相比拟的自润滑性。Ti3SiC2是MAX家族中具有代表性的新型三元层状化合物，在机电、仪表、冶金、化工、汽车、船舶、石化、航天、国防等领域具有广泛的应用前景。石墨良好的润滑性来源于其本身层状的晶体结构，在石墨层状的晶体结构中，碳原子以3p2杂化轨道构成了六角网状的石墨层面，其碳-碳间的键能属于一种共价键，而石墨层与层之间的作用属于弱的范德华力，仅是层内碳原子间共价键强度的1/110。这种结构上的特征决定了石墨层面间良好的滑移性，为石墨作为高性能的润滑材料奠定了基础。考虑Ti3SiC2良好的抗氧化、抗热震、抗热冲击、高屈服点、相对密度低，优良的综合机械性能、良好的导电、导热性能，及高强度、耐氧化、低摩擦系数和极佳的自润滑性能，以及石墨在室温到氧化温度425°C之间很好的润滑效果，因此由基体(Ni3Al) +增强相(TiC)+润滑相(Ti3SiC2和C)，制备Ni3Al复合材料极有可能成为一种新一代的高性能耐磨损固体自润滑材料。

发明内容
本发明的目的提供一种Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料及其制备方法，该方法制备的复合材料具有优秀的摩擦学性能，该方法工艺简单、工艺参数易控制。本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为
Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料，其特征在于它由Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉、B粉和Ti3SiC2粉制备而成，其中Ni A1 Cr Mo Zr B的摩尔比=4. 5 1 :0. 333 0. 243 0. 0047 :0. 0015，Ti3SiC2粉的加入量为Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉总质量的5-20%。Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤
1)按Ni A1 Cr Mo Zr B 的摩尔比=4. 5 :1 :0. 333 :0. 243 :0. 0047 :0. 0015，选取 Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉；按Ti3SiC2粉的加入量为Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉总质量的5-20%，选取Ti3SiC2粉；将Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉混合，得到混合粉末，然后添加Ti3SiC2粉料到上面的混合粉末中，得到配料；
2)将上述配料进行湿磨，过筛，清洗后得到混合悬浊溶液；
3)将上述混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥，得到预处理好的混合粉末；
4)将上述预处理好的混合粉末置于石墨模具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结；其中烧结温度为1150°C、升温速率为100°C /min、烧结压力为30_50MPa、保温时间5-10min、真空度为I X 10_2_1 X KT1Pa,即得到Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料。上述方案中，所述步骤2)中的湿磨步骤是将配料、酒精和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在球磨机中湿磨。上述方案中，所述湿磨时间为5小时。上述方案中，球磨机转 速为150-250转/分钟、球料质量比为10 :1。上述方案中，所述不锈钢真空球磨罐内真空度为10_20Pa。上述方案中，所述步骤2)中的过筛步骤是通过200目不锈钢筛子过筛。上述方案中，所述步骤3)中的真空干燥的真空度为0. 011-0. 021MPa，真空干燥的温度为60-70°C，干燥时间为4-5小时。上述方案中，所述步骤4)中的石墨模具的内直径为20mm。本发明的有益效果是
I、制备的复合材料是一种新型的Ni3Al金属间化合物基合金固体自润滑复合材料，具有优秀的摩擦学性能。它是由Ni3Al基体、Ti3SiC2-C 二元复合润滑相和增强相TiC组成的高性能固体自润滑复合材料，能够通过改变润滑剂增强相Ti3SiC2的添加量来调节润滑相和增强相的含量，其纯度高、晶粒尺寸小，具有优良的综合性能等特性。2、在避免Ni3Al基复合材料颗粒表面污染及氧化问题基础上，采用SPS来制备高致密度、细晶粒Ni3Al基复合材料，可以降低烧结温度( 11500C )、缩短烧结时间(5-10分钟)，更主要的提高了复合材料整体的性能，在节约能源、提高生产效率等方面都有着重要的意义。原位复合省去了第二相的预合成，简化了工艺，工艺步骤少，所需设备简单，降低了原材料成本；另外，原位复合还能够实现材料的特殊显微结构设计并获得特殊性能，同时避免因传统工艺制备材料时可能遇到的第二相分散不均匀，界面结合不牢固以及因物理、化学反应使组成物相失去预设计能力等问题。原位合成复合润滑相Ti3SiC2和C、增强相TiC对提高Ni3Al基固体自润滑材料的整体性能是十分有益的。


图I是本发明的制备工艺流程图。图2是本发明实施例1、2、3、4制得Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的X射线衍射曲线。图3是本发明实施例4制得Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料表面的电子探针照片。图4是本发明实施例4制得Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料摩擦磨损表面的电子探针照片。图5是室温条件下,测试本发明实施例1、2、3、4所制得Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的摩擦系数曲线。图6是室温条件下,测试本发明实施例1、2、3、4所制得Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的磨损率图，测试条件为载荷10N、滑动速度0. 6m/s、时间30min、摩擦半径4mm。
具体实施例方式下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的描述，当然下述实施例不应理解为对本发明的限制。实施例I :
Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料，其特征在于它由Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉、B粉和Ti3SiC2粉制备而成，其中Ni A1 Cr Mo Zr B的摩尔比=4. 5 1 :0. 333 O. 243 0. 0047 :0. 0015，Ti3SiC2粉的加入量为Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉总质
量的5%。上述Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤
1)以Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉为基体原料，Ti3SiC2粉末(粉料)为润滑剂增强相，按 Ni A1 Cr Mo Zr B 的摩尔比=4. 5 I :0. 333 :0. 243 :0. 0047 :0. 0015，称取 7. 952克Ni粉、O. 81克Al粉、O. 523克Cr粉、O. 702克Mo粉、O. 013克Zr粉和O. 0005克B粉，共计10. 0005g，混合，得到混合粉末；然后添加O. 5克高纯Ti3SiC2粉料(纯度彡99. 5wt. %)到上述的混合粉末中，得到配料；
2)将上述配料和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在行星球磨机上湿磨5小时；湿磨介质为酒精；其中行星球磨机转速为150转/分钟、球料质量比为10 :1、不锈钢真空球磨罐内真空度为20Pa ；
3)将球磨后含钢球的混合浆料通过200目不锈钢筛子过筛清洗后，得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥(真空度为O. OllMPa，真空干燥的温度为60°C，时间为4小时)，得到预处理好的混合粉末；
4)将预处理好的混合粉末置于内直径为20mm的石墨模具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结(SPS);其中烧结温度为1150°C、升温速率为100°C /min、烧结压力为30MPa、保温时间5min、真空度为I X 10_2Pa，制备出Ni3Al/Ti3SiC2_C/TiC金属间化合物基固体自润滑复合材料，即Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料。由图2可知，该复合材料主要由基体Ni3Al相、润滑相Ti3SiC2和C、增强相TiC、少量杂相Mo和NiAl组成。由图5和图6可知，该复合材料的室温摩擦系数为O. 45、磨损率为3. 2 X 10_5mm3 (Nm) ―1，表现出了优秀的摩擦学性能。实施例2
Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料，其特征在于它由Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo 粉、Zr粉、B粉和Ti3SiC2粉制备而成，其中Ni A1 Cr Mo Zr B的摩尔比=4. 5 1 :0. 333 O. 243 0. 0047 :0. 0015，Ti3SiC2粉的加入量为Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉总质量的10%。上述Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤
1)以Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉为基体原料，Ti3SiC2粉末为润滑剂增强相，按 Ni A1 Cr Mo Zr B 的摩尔比=4. 5 :1 :0. 333 :0. 243 :0. 0047 :0. 0015，称取 7. 952 克Ni粉、O. 81克Al粉、O. 523克Cr粉、O. 702克Mo粉、O. 013克Zr粉和O. 0005克B粉，共计10. 0005g，混合，得到混合粉末；然后添加I. O克高纯Ti3SiC2粉料(纯度彡99. 5wt. %)到上述的混合粉末中，得到配料；
2)将上述配料和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在行星球磨机上湿磨5小时；湿磨介质为酒精；其中行星球磨机转速为180转/分钟、球料质量比为10 :1、不锈钢真空球磨罐内真空度为IOPa ；
3)将球磨后含钢球的混合浆料通过200目不锈钢筛子过筛清洗后，得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥(真空度为O. 021MPa，真空干燥的温度为70°C，时间为5小时)，得到预处理好的混合粉末；
4)将预处理好的混合粉末置于内直径为20mm的石墨模具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结(SPS);其中烧结温度为1150°C、升温速率为100°C /min、烧结压力为40MPa、保温时间6min、真空度为I X KT1Pa,制备出Ni3Al/Ti3SiC2_C/TiC金属间化合物基固体自润滑复合材料，即Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料。由图2可知，该复合材料主要由基体Ni3Al相、润滑相Ti3SiCJP C、增强相TiC、少量杂相Mo和NiAl组成。由图5和图6可知，该复合材料的室温摩擦系数为O. 37、磨损率为5. 5 X 10_5mm3 (Nm) ―1，表现出了优秀的摩擦学性能。实施例3
Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料，其特征在于它由Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉、B粉和Ti3SiC2粉制备而成，其中Ni A1 Cr Mo Zr B的摩尔比=4. 5 1 :0. 333 O. 243 0. 0047 :0. 0015，Ti3SiC2粉的加入量为Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉总质量的15%。上述Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤
1)以Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉为基体原料，Ti3SiC2粉末为润滑剂增强相，按 Ni A1 Cr Mo Zr B 的摩尔比=4. 5 :1 :0. 333 :0. 243 :0. 0047 :0. 0015，称取 7. 952 克Ni粉、O. 81克Al粉、O. 523克Cr粉、O. 702克Mo粉、O. 013克Zr粉和O. 0005克B粉，共计10. 0005g，混合，得到混合粉末；然后添加I. 5克高纯Ti3SiC2粉料(纯度彡99. 5wt. %)到上述的混合粉末中，得到配料；
2)将上述配料和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在行星球磨机上湿磨5小时；湿磨介质为酒精；其中行星球磨机转速为200转/分钟、球料质量比为10 :1、不锈钢真空球磨罐内真空度为20Pa ；
3)将球磨后含钢球的混合浆料通过200目不锈钢筛子过筛清洗后得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥(真空度为O. 018MPa，真空干燥的温度为60°C，时间为4. 5小时)，得到预处理好的混合粉末；
4)将预处理好的混合粉末置于内直径为20mm的石墨模具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结(SPS);其中烧结温度为1150°C、升温速率为100°C /min、烧结压力为45MPa、保温时间8min、真空度为I X 10_2Pa，制备出Ni3Al/Ti3SiC2_C/TiC金属间化合物基固体自润滑复合材料，即Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料。由图2可知，该复合材料主要由基体Ni3Al相、润滑相Ti3SiCjP C、增强相TiC、少量杂相Mo和NiAl组成。由图5和图6可知，该复合材料的室温摩擦系数为O. 37、磨损率为7. 2 X 10_5mm3 (Nm) ―1，表现出了优秀的摩擦学性能。实施例4
Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料，其特征在于它由Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉、B粉和Ti3SiC2粉制备而成，其中Ni A1 Cr Mo Zr B的摩尔比=4. 5 1 :0. 333 、O. 243 0. 0047 :0. 0015，Ti3SiC2粉的加入量为Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉总质量的20%。上述Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤
1)以Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉为基体原料，Ti3SiC2粉末为润滑剂增强相，按 Ni A1 Cr Mo Zr B 的摩尔比=4. 5 :1 :0. 333 :0. 243 :0. 0047 :0. 0015，称取 7. 952 克Ni粉、O. 81克Al粉、O. 523克Cr粉、O. 702克Mo粉、O. 013克Zr粉和O. 0005克B粉，共计10. 0005g,混合，得到混合粉末；然后添加2. O克高纯Ti3SiC2粉料(纯度彡99. 5wt. %)到上述的混合粉末中，得到配料；
2)将上述配料和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在行星球磨机上湿磨5小时；湿磨介质为酒精；其中行星球磨机转速为250转/分钟、球料质量比为10 :1、不锈钢真空球磨罐内真空度为20Pa ； 3)将球磨后含钢球的混合浆料通过200目不锈钢筛子过筛清洗后，得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥(真空度为0.017MPa，真空干燥的温度为70°C，时间为4小时)，得到预处理好的混合粉末；
4)将预处理好的混合粉末置于内直径为20mm的石墨模具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结(SPS);其中烧结温度为1150°C、升温速率为100°C /min、烧结压力为50MPa、保温时间lOmin、真空度为I X KT1Pa,制备出Ni3Al/Ti3SiC2_C/TiC金属间化合物基固体自润滑复合材料，即Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料。由图2可知，该复合材料主要由基体Ni3Al相、润滑相Ti3SiC2和C、增强相TiC、少量杂相Mo和NiAl组成。由图3可知，该复合材料组织均匀、致密，充分证实了 SPS快速烧结技术制备Ni3Al/Ti3SiC2-C/TiC金属间化合物基固体自润滑复合材料的优点，从而有利于提高复合材料的性能，图4说明该复合材料表现出了优良的摩擦学性能，形成了较完整的自润滑摩擦层、能够起到良好的减摩作用。由图5和图6可知，该复合材料的室温摩擦系数为O. 35、磨损率为8.9父10_5_3(__1，表现出了优秀的摩擦学性能。本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如温度、时间、真空度等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
权利要求
1.Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料，其特征在于它由Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉、B粉和Ti3SiC2粉制备而成，其中Ni A1 Cr Mo Zr B的摩尔比=4. 5 1 :0. 333 O.243 0. 0047 :0. 0015，Ti3SiC2粉的加入量为Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉总质量的5-20%。
2.如权利要求I所述的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤1)按Ni A1 Cr Mo Zr B 的摩尔比=4. 5 :1 :0. 333 :0. 243 :0. 0047 :0. 0015，选取 Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉；按Ti3SiC2粉的加入量为Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉总质量的5-20%，选取Ti3SiC2粉；将Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉混合，得到混合粉末，然后添加Ti3SiC2粉料到上面的混合粉末中，得到配料； 2)将上述配料进行湿磨，过筛，清洗后得到混合悬浊溶液； 3)将上述混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥，得到预处理好的混合粉末； 4)将上述预处理好的混合粉末置于石墨模具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结；其中烧结温度为1150°C、升温速率为100°C /min、烧结压力为30_50MPa、保温时间5-10min、真空度为I X 10_2_1 X KT1Pa,即得到Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料。
3.如权利要求2所述的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的湿磨步骤是将配料、酒精和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在球磨机中湿磨。
4.如权利要求2或3所述的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述湿磨时间为5小时。
5.如权利要求3所述的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，球磨机转速为150-250转/分钟、球料质量比为10 :1。
6.如权利要求3所述的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述不锈钢真空球磨罐内真空度为10-20Pa。
7.如权利要求2所述的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的过筛步骤是通过200目不锈钢筛子过筛。
8.如权利要求2所述的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤3)中的真空干燥的真空度为O. 011-0. 021MPa，真空干燥的温度为60-70°C，干燥时间为4-5小时。
9.如权利要求2所述的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料的制备方法，其特征在于所述步骤4)中的石墨模具的内直径为20mm。
全文摘要
本发明提供一种含有Ti3SiC2和C二元复合润滑相和增强相TiC的Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料及其制备方法。Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料由Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉、B粉和Ti3SiC2粉制备而成，其中NiAlCrMoZrB的摩尔比=4.510.3330.2430.00470.0015，Ti3SiC2粉加入量为Ni粉、Al粉、Cr粉、Mo粉、Zr粉和B粉总质量的5-20%。本发明合成的金属间化合物基固体自润滑复合材料的组份设计新颖、致密度高、摩擦学性能好。制备过程快捷简单、工艺参数稳定、易操作，适用于制备高性能Ni3Al金属间化合物基固体自润滑复合材料。
文档编号C22C1/05GK102634715SQ20121011227
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者冯四平, 史晓亮, 张崧, 徐增师, 王玉伏, 王莽, 祝志伟, 章桥新, 翟文正 申请人:武汉理工大学