专利名称：一种镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及镍辛BS复合材料的高温自润滑顿技术，具体为一种NiAl-Al203-TiC 复合材料作为高温自润滑耐磨材料的鹏。
背景技术：
金属间化合物NiAl是理想的高温结构材料，具有高烙点(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。中国 科学院金属研究所通过热压放热反应合成了 NiAl-Al2OrTiC复合材料，该复合材 料具有较高硬度、纟，和断裂韧性，目标在于替代Ni基高 显合金用于制作先进航 空发动机的涡轮导向叶片、涡轮叶片和火焰筒骨架等零件。但是，由于其室 显拉 伸塑性为零的缺点没有得至U根本的解决，目前还无法实际应用。NiAl-Al2OrTiC 复合材料采用Ni粉、Al粉、Ti02粉和碳黑做为原材料，通过真空热压原位合成 的方法制成块体材料，并采用热等静压处理以提高i刺材才料的致密度。文献l[姜 东涛博士学位论文《原位内生多相NiAl基复合材料的反应合成、组织结构与性 能》，中国科学院金属研究所，1998年]和文献2[D.T.Jiang， J.T.Guo， D.LLin， C.X.Shi. METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS, 2000年，31 巻，1692页]中，报道了 NiAl-Al203-TiC复合材料的制备方法如下将Ni粉(纯 度98wtX，粒度〈liam) 、 Al粉(纯度98wt^，粒度〈13nm) 、 TiCb粉(纯度 98 wt%，粒度〈10)im)和碳黑(纯度99.9wt%、粒度〈l^im)，按名义成分为 NiAl-10Vol.% (TiC+Al203)(其中TiC颗粒的体积分数为6%， "203颗粒的体 积分数为4%)均匀混合后，放入石墨模具内冷压成i央体毛坯。将i央体毛坯置于 真空热压感应炉内升温至135(TC保温保压30min，然后随炉冷却至室温，最后将 土央体材料在1300°C/200 MPa ^f牛下进行热等静压处理3小时。
相关文献报道过二^NiAl合金以及单一增强相的NiAl-T氾2复合材料的室， 擦磨损性能。高^if擦磨损方面只报道过Ni-17.5A1-15Ti-15C (at%)粉末制备的 TiC/(NiAl-Ni3Al)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
3量的NiAl相，最高摩擦磨损温度为60(TC， X寸磨件材料为Ni基高温合金，摩擦系数 为0.4。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应 用，它开辟了 NiAl基复合材料实际应用的新途径，提供了 NiAl-Al2OrTiC复合 材料在70(TC 90(TC作为高温机构滑动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
一种镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-Al203-TiC复合 材料作为高温机构滑动部件用高温自润滑耐磨材料，X寸磨件材料为SiC、 Si具或 A1203陶瓷材料。
所述的镍铝基复合材料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^900。C大气条j牛下处 于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。
所述的镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-Al203-TiC复 合材料的磨损表面生成1 3,厚的纳米氧化物保护层。
所述的镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-Al203-TiC复 合材料的摩擦系数为0.22~0.29。
所述的镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用，NiAl-Al2OrTiC复 合材料的磨损率为8.5~20m3/mNxl(T14。
本发明具有如下优点
1、 本发明NiAl-Al203-TiC复合材料在摩擦表面生成了厚度为l~3pm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 具有持久自润滑鹏巨，摩擦系数和磨损率均低于M基合金。
2、 本发明NiAl-Al203-TiC复合材料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-Al203-TiC作为高温自润滑耐磨材料，是添加了 "203和 TiC两种陶瓷颗粒增强相的NiAl基复合材料，在载荷为压应力的磨损工况， NiAl-Al203-TiC复合材料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，70CTC 90(TC高M^擦磨损性能展现出优异的自润滑性能，摩擦系数为0.22^0.29，磨损率为8.5 20m3/mNxl0—14，摩擦系数和磨损率均低于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。
图1不同温度下NiAl-Al203-TiC复合材料的摩擦系数。
图2不同温度下NiAl-Al203-TiC复合材料的磨损率。
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-Al203-TiC复合材料摩擦系数变化趋势。
图6实施例1中NiAl-Al2OrTiC复合材料摩擦表面形貌。
图7实施例2中NiAl-Al2OrTiC复合材料摩擦系数变化趋势。
图8实施例2中NiAl-Al203-TiC复合材料摩擦表面形貌。
图9实施例3中NiAl-Al2OrTiC复合材料摩擦系数变化趋势。
图10实施例3中NiAl-Al2OrTiC复合材料摩擦表面形貌。
具体实施例方式
NiAl-Al203-TiC复合材料采用Ni粉、Al粉、1102粉和碳黑做为原材料，按 名义成分为NiAl-10Vol.% (TiC+Al203)(其中TiC颗粒的体积分数为6%， "203颗粒的体积分数为4%)均匀混合后，通过真空热压原位合成的方法制成±央 体毛坯。将块体毛坯置于真空热压感应炉内升温至1350。C保温保压30min，然后 随炉冷却至室温，最后将土央体材料在1300。C/200MPa斜牛下进行热等静压处理3 小时。NiAl-Al2OrTiC复合材料的成分为NiAl-10Vol.% (TiC+Al203)。镍铝基 复合材料的原子百分数为43.6Ni-46.8Al-2.4Ti~4.80-2.4C。
本发明的实际应用方法按如下步骤实施
1、 将NiAl-Al203-TiC复合材料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/分钟，温度到达设定 ^it后保温加载，上i対羊轴带动MAl-Al203-TiC复合材料销转动开始摩擦磨损。
2、 最大载荷为30N,最大滑动速率为0.5m/s,摩擦磨损实验^it为700°C^00 °C，大气下干摩擦。
如图1所示，NiAl-Al2O3-TiC复合材料的60(TC摩擦系数高于Ni基合金，随 着磨损试验温度升高到700。C， NiAl-Al2OrTiC复合材料的摩擦系数急剧降低到 0.22，磨损试验温度继续升髙到80(TC和90(TC，摩擦系数略有升高，均略低于Ni基合金。
如图2所示，NiAl-Al2OrTiC复合材料的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-Al2OrTiC复合材料的磨损率急剧降低为8.5 m3/mNxl(yl4，磨损试验温度继续升高到8(XrC和90(rC，磨损對曾加，均低于Ni
其人冬
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如图3所示，在70(TC 90(TC温度范围内，NiAl-Al2OrTiC复合材料的磨损 表面均生成1 3pm的NiO-NiAl204-Al203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^t为70(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2h，滑行距离为908m。将NiAl-Al2OrTiC复合材料销样 品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^Jt为70(TC，升温速度为2(TC/分钟，Mit升到700。C后保温加载，上i対羊 轴带动销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拜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-Al203-TiC复合材料摩擦系数随磨损实验的进
行，最初摩擦系数缓侵降低，磨损10力H中后，摩擦系数达到稳定状态，测得平均
摩擦系数为0.22。
本实施例中，NiAl-Al2OrTiC复合材料的磨损率为8.5m3/mNxlO—14。
如图6所示，实施例1中NiAl-Al2OrTiC复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护层。
实施例2
本实施例磨损^it为80(TC，对磨件为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。 # NiAl-Al2OrTiC复合材料销样 品固定在上试样夹具上，SiC陶瓷材料固定在下i對羊夹具上，置于加热电炉内， 加辦鹏为800。C,升温速度为2(TC/^H中，》鹏弁到800。C后保温加载，上试样 轴带动销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 擦表面也形成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-Al2OrTiC复合材料摩擦系数随磨损实验的进
行，最初摩擦系数缓侵降低，磨损10 iH中后，摩擦系数在0.24附近发生波动，
测得平均摩擦系数为0.24。
本实施例中，MAl-Al2OrTiC复合材料的磨损率为9.9m3/mNxlO-14。
如图8所示，实施例2中NiAl-Al203-TiC复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护层，保护层有点状和少量±央状的剥落特征，保
护层的录l藤导致摩擦系数发生波动。
实施例3
本实施例磨损Mjt为90(TC，对磨件为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-Al2OrTiC复合材料销样 品固定在上试样夹具上，SiC陶瓷固定在下试样夹具上，置于加热电炉内，加热 鹏为90(rC，升温速度为20。C/^H中，？鹏升到900。C后保&to载，上i對羊轴带 动销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 面也形成1 3拜厚的纳，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-Al203-TiC复合材料摩擦系数随磨损实验的进 行，最初摩擦系数缓漫降低，磨损10分钟后，摩擦系数在0.24附近波动，测得 平均摩擦系数为0.24。
本实施例中，NiAl-Al2OrTiC复合材料的磨损率为20m3/mNxlO—14。 如图10所示，实施例3中NiAl-Al2OrTiC复合材料摩擦表面形貌可以看出， 摩擦表面形成了呈现i央状剥落和硬的第三体磨粒犁削特征的氧化物保护层，保护
层的录i藤以及硬的第三体磨茅ix寸保护层的犁削作用导致摩擦系数发生波动。
实施例结果表明，本发明采用NiAl-Al203-TiC复合材料作为高温自润滑耐磨 材料，NiAl-Al203-TiC复合材料可以与SiC、 SigN4或Al203陶瓷材料配副，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^900。C大气^f牛下 处于摩擦磨损工况的高温机构滑动部件。在此工况下，NiAl-Al2OrTiC复合材料
具有优异的持久高温自润滑性能和耐磨性能。
权利要求
1、一种镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用，其特征在于NiAl-Al2O3-TiC复合材料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所述的镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨桐料的应用， 其特征在于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所述的镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用， 其特征在于NiAl-Al203-TiC复合材料的磨损表面生成1 3,的纳米氧化物保护 层。
4、 按照权利要求1所述的镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用， 其特征在于NiAl-Al203-TiC复合材料的摩擦系数为0.22^0.29。
5、 按照权利要求1所述的镍铝基复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用， 其特征在于NiAl-Al203-TiC复合材料的磨损率为8.5~20m3/mNxlO-14。
全文摘要
本发明涉及镍铝基复合材料的高温自润滑应用技术，具体为种NiAl-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-TiC复合材料作为高温自润滑耐磨材料的应用。NiAl-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-TiC复合材料采用Ni粉、Al粉、TiO<sub>2</sub>粉和碳黑做为原材料，通过真空热压原位合成的方法制成块体材料，并采用热等静压处理以提高块体材料的致密度。NiAl-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-TiC复合材料的应用如下NiAl-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-TiC复合材料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-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-TiC复合材料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C22C19/03GK101613817SQ20081001205
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, 胡壮麒, 亿 谢, 郭建亭 申请人:中国科学院金属研究所