专利名称：一种高温自润滑TiAl合金材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高温自润滑材料，特别涉及一种高温自润滑TiAl合金材料。
背景技术：
随着航空航天技术的飞速发展，高温高速运动副的摩擦、磨损与润滑问题已受到广泛关注。TiAl系金属间化合物具有比重轻、强度高的优点，在高温时仍可保持足够高的强度和刚度，同时具有极高的抗氧化性，被认为是航空用发动机及汽车中理想的轻质结构件材料，因而成为近年来人们研究开发的热点。因此，以TiAl合金为基，开发出高温自润滑抗 磨材料，在工程中将具有广阔的应用前景；特别是可大幅度地提高运动副的动力学性能，具有重要的工程价值。为了改善TiAl合金的脆性，合金化是一种较为有效的方法。目前，对TiAl合金的研究，主要在室温脆性、高温抗氧化性、高温强度及制备技术方面，在Ti-Al系合金基体中有添加固体润滑剂来实现高温下的自润滑，但是以高温自润滑摩擦副为目的的研究报道很少。TiAl合金具有优异的高温性能和质量轻的特点，如采用TiAl合金为基，开发出高温自润滑抗磨材料，将大幅度地改善高速运动副的动力学性能，具有宽阔的市场前景。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种高温抗氧化性好、高温自润滑性能好、高温强度高、耐磨性高、密度低的高温自润滑TiAl合金材料。本发明是通过如下技术方案实现的一种高温自润滑TiAl合金材料，由以下重量百分比的材料组成TACN 材料80-99 %、共晶体1-20%;其中TACN材料由以下重量百分比的材料组成48%Ti、48%Al、2%Nl^P2%Cr ；共晶体由以下重量百分比的材料组成68% BaF2和32% CaF2。该高温自润滑TiAl合金材料，其优选方案为由以下重量百分比的材料组成TACN 材料85-95 %、共晶体5-15%。该高温自润滑TiAl合金材料，其最佳方案为由以下重量百分比的材料组成TACN 材料90-95 %、共晶体5-10%。本发明高温自润滑TiAl合金材料的有益效果是密度低，密度仅为3. 64-3. 77g/cm3，是镍基高温合金的1/2，比钛合金还低10% ;还具有高比强度，室温约800°C时强度保持率达到80 % ;具有高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在760-8000C长期工作，具有良好的高温自润滑性能，耐磨性高，大大提高了高温抗氧化性能，比其他普通TiAl合金的综合性能提高很多，具有很大的应用价值，由于TiAl合金轻质特点且具有良好的高温自润滑性能，可以应用于高速运动副构件，以提高运动件的动力学性能，且在高温环境下使用凸显优势；在TiAl合金中，添加Cr能改善其室温塑性，添加Cr后，可取代TiAl合金中的Al，有助于获得低Al的Y相，同时降低了 α2相的稳定性，使片层Ci2相变成粒状，形成了新生的细小的Y+ α 2晶体，因而可显著细化Y+ α 2双相合金，从而提高TiAl合金的室温塑性；Nb的加入，使共价电子数增加，可提高TiAl合金的强度，而同时加入Nb和Cr对提高TiAl合金的室温塑性最有效；62% BaF2-38% CaF2共晶体因为有更低的熔点和剪切力，所以具有比使用单种CaF2或BaF2更好的润滑性能，CaF2-BaF2共晶体固体润滑剂化学稳定性高，且不与基体合金发生反应，在摩擦挤压及热应力等作用下析出，并能够拖覆在基体表面，形成一层较为完整的固体润滑膜，对基体起到保护作用，从而减少摩擦磨损；添加氟化物中的单质离子在材料中起到了颗粒弥散强化的作用，从而使强度提高，当CB固体润滑剂添加量达到5%时，其弯曲强度达到619MPa，断裂韧性达到12. IMPa. m1/2，没有添加CB固体润滑剂的材料基体磨损率达到O. 34X I(T4Him3N4Iir1,而添加CB固体润滑剂后材料的磨损率逐渐降低，当润滑剂含量为10%时，弯曲强度为605Mpa，断裂韧性为11. 3MPa · m1/2，磨损率降到最低，达 到 O. 28 X 10 4Him3N 1Iii、
下面结合附图对本发明作进一步的说明。图I为CaF2-BaF2 (CB)的添加量为O时TACN材料的XRD分析图；图2为本发明添加不同量CaF2-BaF2 (CB)的XRD分析图； 图3为CaF2-BaF2 (CB)的添加量为O时TACN材料的SEM分析图；图4 为本发明添加不同量 CaF2-BaF2 (CB)的 SEM 分析 (a) 5 % CB ； (b) 10% CB ；(c) 15% CB ； (d)20% CB0
具体实施例方式实施例I :本发明高温自润滑TiAl合金材料由以下重量百分比的材料组成TACN材料90 %和共晶体10% ;其中TACN材料由以下重量百分比的材料组成48% Ti,48% Al,2% Nb和2% Cr (以下简称48Ti-48Al-2Nb-2Cr);共晶体由以下重量百分比的材料组成68%BaFjP32% CaF2 (以下简称 68% BaF2-32% CaF2 共晶体)。本发明采用TACN 材料(48Ti-48Al-2Nb-2Cr)为基，以 68% BaF2-32% CaF2 共晶体作为固体润滑剂，68% BaF2-32% CaF2共晶体在高温下能有效地形成表面润滑膜，以降低其摩擦阻力。本发明高温自润滑TiAl合金材料的制备方法，包括如下步骤①选用Ti、Al、Nb、Cr粉末按原子配比48Ti-48Al-2Nb_2Cr混合，再加入68%BaF2-32 % CaF2共晶体固体润滑剂，添加量分别为68 % BaF2_32 % CaF2共晶体IOwt %、48Ti-48Al-2Nb-2Cr 90wt%，利用XQM-2型变频行星式球磨机对混合粉末进行球磨；②将球磨好的粉末在YE-2000型液压式压力试验机上冷压成型，成型压力为400KN，制得成型好的冷压试样，用于下一步进行烧结；③将步骤②制得的冷压试样在烘干箱中经200°C烘干处理，然后在HZK-30型真空热压炉中热压成型，其真空热压烧结工艺为烧结温度1200°C、保温30min、烧结压力30MPao通过上述步骤可以制得本发明的高温自润滑TiAl合金材料，在成品中，固体润滑剂在摩擦挤压及热应力等作用下析出，并能够拖覆在基体表面，形成一层较为完整的固体润滑膜，对基体起到保护作用，从而减少摩擦磨损；添加氟化物中的单质离子在材料中起到了颗粒弥散强化的作用，从而使强度提高。实施例2:本实施例与实施例I的不同之处在于，本发明的高温自润滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 80%,68% BaF2-32% CaF2 共晶体 20%。实施例3
本实施例与实施例I的不同之处在于，本发明的高温自润滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 95%,68% BaF2-32% CaF2 共晶体 5%。实施例4 本实施例与实施例I的不同之处在于，本发明的高温自润滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 85%,68% BaF2-32% CaF2 共晶体 15%。实施例5 本实施例与实施例I的不同之处在于，本发明的高温自润滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 99%,68% BaF2-32% CaF2 共晶体 1%。实施例6 本实施例与实施例I的不同之处在于，本发明的高温自润滑TiAl合金材料包括以下重量百分比的材料48Ti-48Al-2Nb-2Cr 93%,68% BaF2-32% CaF2 共晶体 7%。具体实验过程如下本发明采用TACN材料为基，选用Ti、Al、Nb、Cr粉末按原子配比48Ti-48Al-2Nb-2Cr混合，再加入68% BaF2-32% CaF2共晶体(以下简称CB)固体润滑剂，CB的添加量分别取0、5、10、15、20wt%，TACN材料的取量与CB配合。本发明高温自润滑TiAl合金材料，其优选配比为含有5_10被％的CB。TiAl系金属间化合物具有比重轻、强度高的优点，在高温时仍可保持足够高的强度和刚度，同时具有极高的抗氧化性，被认为是航空用发动机及汽车中理想的轻质结构件材料。在TiAl合金材料中，添加Cr能改善其室温塑性，在合金中添加少量Nb是提高TiAl合金材料抗氧化性能的有效方法，在实验温度为1000°C、氧化时间为IOOh时，二元TiAl合金材料的氧化质量增重达到了 68. 86mg/cm2。Nb的加入,使共价电子数增加,可提高TiAl合金材料的强度，而同时加入Nb和Cr对提高TiAl合金材料的室温塑性最有效。基于此，本发明选择TACN材料作为高温自润滑TiAl合金材料的基体材料。氟化物具有高的化学和热稳定性，在加到复合材料中时仍保持着自己的原始性能。CaF2和BaF2W 500°C开始具有润滑性，在高温下它们具有相当高的抗氧化能力，可以使用到900°C而不会因氧化失效。同时，CaF2和BaF2在惰性和还原性气氛中的润滑效果与大气中相同。62% BaF2-38% CaF2共晶体因为有更低的熔点和剪切力，所以具有比使用单种CaF2或BaF2更好的润滑性能。CaF2-BaF2共晶体固体润滑剂化学稳定性高，且不与基体合金发生反应，是制备自润滑材料时的首选。在TACN基体材料上添加CB固体润滑剂达5%时，其合金的硬度、抗弯强度和断裂韧性最高，抗高温氧化性能最好；当CB为10%时，其合金的磨损率最低，润滑膜最完整；当CB达到15%时，摩擦系数最低。但作为摩擦学零件，综合考虑，添加10% CB的高温自润滑TiAl合金材料应为最佳选择。本发明是将比重轻、强度高的TACN材料与62% BaF2-38 % CaF2共晶体复合，形成以TACN材料为主导的新型高温自润滑材料。该高温自润滑TiAl合金材料密度仅为3.64-3. 77g/cm3，是镍基高温合金的1/2，比钛合金还低10% ;还具有高比强度，室温约800°C时强度保持率达到80%;具有高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在760-800°C长期工作，本发明高温自润滑TiAl合金材料既具有普通高温合金的高温抗氧化性好、高温强度高、耐磨性高等优点，而且质量轻、具有良好的高温自润滑性能。由于其轻质特点，TiAl合金材料可以应用于高速运动副构件，以提高运动件的动力学性能，且在高温环境下使用凸显优势。本发明选用Ti、Al、Nb、Cr粉末按原子配比48Ti-48Al-2Nb_2Cr混合，再加入68%BaF2-32% CaF2共晶体固体润滑剂，添加量分别为0、5、10、15、20wt%，利用XQM-2型变频行星式球磨机对混合粉末进行球磨，球磨罐转速为300r/min,实验工作参数为F6,球磨罐材质为GCrl5轴承钢，球磨罐采用O形橡胶圈密封，球磨介质为Al2O3球，Al2O3磨球的直径分别为10、5、3_，球粉比为10 1 ；将球磨好的粉末在YE-2000型液压式压力试验机上冷压成型，成型压力为400KN，选用的压头直径为30mm，保压时间为10-15s，将粉末压制成饼状，其厚度在8mm左右，制得冷压试样；冷压成型之后，将冷压试样放入烘干箱中经200°C烘干处理，然后在HZK-30型真空热压炉中热压成型，自润滑TiAl合金材料的合理的真空热压烧结工艺规范为烧结温度1200°C，保温30min，烧结压力为30MPa。实验所用材料见表1表1试验材料
权利要求
1.一种高温自润滑TiAl合金材料，其特征是由以下重量百分比的材料组成 TACN 材料80-99%、 共晶体:1-20% ； 其中TACN材料由以下重量百分比的材料组成48 % Ti、48 % Al、2 % Nb和2 % Cr ;共晶体由以下重量百分比的材料组成68% BaF2和32% CaF2。
2.根据权利要求I所述的一种高温自润滑TiAl合金材料，其特征是由以下重量百分比的材料组成 TACN 材料85-95%、 共晶体5-15%。
3.根据权利要求I或2所述的一种高温自润滑TiAl合金材料，其特征是由以下重量百分比的材料组成 TACN 材料90-95%、 共晶体:5-10%。
全文摘要
本发明涉及一种高温自润滑材料，特别公开了一种高温自润滑TiAl合金材料。该高温自润滑TiAl合金材料，由以下重量百分比的材料组成TACN材料80-99％、共晶体1-20％；其中TACN材料由以下重量百分比的材料组成48％Ti、48％Al、2％Nb和2％Cr；共晶体由以下重量百分比的材料组成68％BaF2和32％CaF2。本发明的有益效果是具有良好的高温自润滑性能，强度高，耐磨性高，密度低，大大提高了高温抗氧化性能，综合性能提高很多，具有很大的应用价值，由于TiAl合金轻质特点且具有良好的高温自润滑性能，可以应用于高速运动副构件，以提高运动件的动力学性能，且在高温环境下使用凸显优势。
文档编号C22C32/00GK102851563SQ20121039367
公开日2013年1月2日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者杨丽颖, 王守仁, 王砚军, 王秀玲, 于航海 申请人:济南大学