一种Ni基合金/陶瓷复合材料及其制备方法
【技术领域】
[000? ]本发明涉及复合材料，特别涉及一种Ni基合金/陶瓷复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]Ni基合金是在650?1000°C高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金，其主要成分为N1-Cr高温合金。Ni基合金适合长时间在高温下工作，并且在中、高温度下具有优异综合性能，对于航空航天材料减小飞行器之间的摩擦损耗及延长飞行器的寿命具有极为重要的作用，但在高温下摩擦性能差，摩擦系数和磨损率都很高。
[0003]Ni基合金的摩擦系数强烈依赖于服役条件，在室温下摩擦系数在0.5-0.6之间，磨损率为10—4mm3/N.m，摩擦性能很差。当服役条件在400 °C以上时，摩擦系数有所降低为0.4-
0.5，磨损率为10—4mm3/N.m，摩擦性能也比较差。鉴于Ni基高温合金在广域温度下摩擦磨损性能差的现状，研究人员进行了大量的研究，通过在Ni基高温合金中引入增韧相来提高Ni基高温合金的摩擦磨损性能，一般添加的增韧相为WC、VC、TiC或Al2O3等，虽然一定程度上提高了Ni基合金材料的摩擦磨损性能，但是仍不理想。另外，现有制备Ni基合金材料的制备工艺烧结温度较高，在制备复合材料时，不利于材料的烧结致密。
[0004]针对以上现象，需要一种在Ni基合金中添加一种新的润滑相，不但可以改善Ni基合金材料的摩擦磨损性能，同时能够承受Ni基合金复合材料制备过程中的高温情况。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决现有Ni基合金在室温至600°C的广域温度下摩擦磨损性能差，及现有制备工艺烧结温度高的问题，本发明提供了一种Ni基合金/三元层状MAX相陶瓷复合材料及其制备方法。
[0006]本发明提供了一种Ni基合金/陶瓷复合材料，所述Ni基合金/陶瓷复合材料由Ni基合金和三元层状MAX相陶瓷组成，所述三元层状MAX相陶瓷包含M、A和X三类元素，其中M为过渡族元素金属，A主要为ΙΠΑ和IVA族元素，X为C或N。
[0007]本发明的进一步改进在于:所述Ni基合金/陶瓷复合材料中Ni基合金和三元层状MAX相陶瓷的质量比为4:1。
[0008]本发明的进一步改进在于:所述Ni基合金/陶瓷复合材料中Ni基合金为N1-Cr高温合金，其中N1:Cr的质量比为4:1。
[0009]本发明的进一步改进在于:所述Ni基合金/陶瓷复合材料中三元层状MAX相陶瓷包含M2AX陶瓷和M3AX2陶瓷，其中M为0、￥、11、恥、了&中的一种4为六1或3丨，乂为(:或1所述三元层状嫩父相陶瓷为02六1(:，112六1(:，113六102，他2六1(:，了&2六1(:，1133丨02中一种或多种的组合。
[0010]本发明将具有良好润滑性的MAX相高温固体润滑剂引入Ni基合金中。在高温下，磨损表面发生了氧化，形成Ni0，Cr203，Al203及NiCr204等化合物。在磨损过程中，这些氧化产物逐渐被剥落形成磨肩。随着在高温下这些氧化产物发生软化，在摩擦应力的作用下逐渐被压实，形成光滑、连续和具有低剪切强度的润滑膜。这层在磨损表面形成的润滑膜起到有效地降低了复合材料高温摩擦系数和磨损率的作用，使得复合材料在高温时具有良好的自润滑性能。本发明Ni基合金/陶瓷复合材料室温下的摩擦系数在0.40-0.50，600°C高温下的摩擦系数在0.35-0.40，与现有Ni基高温合金的摩擦系数基本相同；Ni基合金/陶瓷复合材料在室温下和600°C高温下的磨损率均在10—5mm3/N.m数量级，远小于现有Ni基高温合金的磨损率。
[0011]本发明还提供了一种Ni基合金/陶瓷复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤:
A.将三元层状MAX相陶瓷块体进行破碎，反复碾压得到陶瓷粉体；
B.将Ni基合金粉体、陶瓷粉体均匀混合，得到混合粉体；
C.将混合粉体进行冷压处理，得到胚体；
D.将经过胚体放入放电等离子烧结炉中烧结；
E.烧结后既能得到Ni基合金/陶瓷复合材料。
[0012 ]本发明的进一步改进在于:该方法的B步骤包括以下分步骤:
BI:将步骤A得到的陶瓷粉体过筛，选出合适粒径的陶瓷粉体；
B2:将Ni基合金粉体和陶瓷粉体装入球磨罐中；
B3:向球磨罐中加入无水乙醇和磨球；
B4:在球磨罐中进行湿法磨混，得到混合粉体。
[0013]本发明的进一步改进在于:该方法中B2分步骤中加入无水乙醇的质量为Ni基合金粉体和陶瓷粉体总质量的1-2倍，所述Ni基合金粉体和陶瓷粉体总质量与磨球的质量比为1:5至1:6;该方法中B4分步骤中的球磨速率为300转/分钟，湿混时间为24h ；该方法中B3分步骤中加入的磨球的直径在5-20 mm之间。
[0014]本发明的进一步改进在于:该方法C步骤包括以下分步骤:
Cl.将混合粉体烘干；
C2.将经过烘干后的混合粉体进行过筛；
C3将过筛后的混合粉体装入内壁铺有石墨纸的石墨模具；
C4.对石墨模具进行冷压处理。
[0015]本发明的进一步改进在于:该方法Cl步骤中烘干的温度为80-100°C，，烘干时间为5-8小时；该方法中C4分步骤时保持施加在石墨模具上的压强为30-40MPa，保压时间为2-5min0
[0016]本发明的进一步改进在于:该方法D步骤中烧结温度为900°C-1200°C，压力与步骤C冷压处理所用压力相同，保温时间为5分钟。
[0017]本发明的制备方法工艺简单，耗时短，烧结温度低，制备得到的Ni基合金/陶瓷复合材料在室温至600°C高温下的摩擦磨损性能好，本发明采用放电等离子烧结工艺，提高了烧结过程中的升温速率和降温速率，缩短了生产周期，提高了生产效率。
【附图说明】
[0018]图1是【具体实施方式】一得到的Ni基合金/Cr2AlC复合材料的TEM形貌图。
[0019]图2是【具体实施方式】一得到的Ni基合金/Cr2AlC复合材料的不同温度下摩擦系数随时间的变化图。
[0020]图3是【具体实施方式】一得到的Ni基合金/Cr2AlC复合材料的平均摩擦系数随温度的变化图。
[0021]图4是【具体实施方式】一得到的Ni基合金/Cr2AlC复合材料的平均磨损率随温度的变化图。
[0022]图5是【具体实施方式】一中经600°C高温摩擦实验后Ni基合金/Cr2AlC复合材料的扫描电子显微镜微观形貌图。
[0023]图6是图5黑框部分的局部放大图。
【具体实施方式】
[0024]下面详细说明本发明的具体实施方案。
[0025]【具体实施方式】一:本实施方式制备的材料为Ni基合金/Cr2AlC复合材料，该材料的配方为64wt.%的镍粉、16wt.%的铬粉和20wt.°/c^Cr2AlC。
[0026]本实施方式中Ni粉、Cr粉均为市售产品。其中，Ni粉、Cr粉为北京浩运金能科技有限公司生产，其Ni粉粒径为1-1.5ym，Cr粉粒径为40-50μπι。
[0027]本具体实施例的制备方法如下。
[0028]步骤一:将Cr2AlC块体进行破碎，反复碾压得到粉体，并通过100目筛子获得粒径合适的三元层状MAX相陶瓷粉体。
[0029]步骤二:按质量百分比将64wt.%的镍粉、16wt.%的铬粉和20wt.°/c^Cr2AlC粉体装入聚四氟乙烯球磨罐中，再向球磨罐中加入无水乙醇和氧化铝磨球，以300转/分钟的速率球磨湿混24h，其中，无水乙醇的加入量为Ni基合金粉和Cr2AlC粉体总质量的2倍，Ni基合金粉和CnAlC粉体总质量与氧化招磨球的质量比为1:6。
[0030]步骤三:将球磨湿混后的混合粉体在80°C下烘干8小时后过40目筛，然后将过筛后的均匀细粉体装入内壁铺有石墨纸的石墨模具，再对石墨模具进行冷压处理，保持施加在石墨模具上的压强为30MPa，保压时间为2min。
[0031]步骤四:固定冷压处理后的石墨模具于放电等离子烧结炉中，抽真空并在氩气保护下进行烧结。烧结