一种以Ti3SiC2为润滑相的M50基自润滑复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种以Ti₃SiC₂为润滑相的M50基自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术：

M50轴承钢由于在高温环境中能保持高的尺寸稳定性，硬度和接触疲劳性能，所以常常被用来制作航空发动机主轴轴承。随着现代航空事业的不断发展，对航空发动机主轴轴承提出了更高的要求，同时对M50轴承钢的摩擦学性能提出了挑战。

目前，关于M50基自润滑复合材料的研究尚未见报道，并且目前对于金属基自润滑复合材料的制备主要还是采用放电等离子烧结技术([4]史晓亮，徐增师，王莽，翟文正，章桥新，姚杰，宋思远，王玉伏，冯四平，张崧.TiAl-C-Ag-Ti₂AlC-TiC自润滑复合材料及其制备方法[P].湖北：CN102888549A,2013-1-23.)。但放电等离子烧结技术有其不足之处，如：放电等离子技术采用了石墨模具，使得烧结体最终要进行打磨等工艺，并且利用放电等离子技术制得的烧结体形状较简单。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种以Ti₃SiC₂为润滑相的M50基自润滑复合材料及其制备方法，具有较低的摩擦系数与磨损率，有效地提高了M50轴承钢的摩擦学性能。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种新型M50基自润滑复合材料，主要包括基体材料和润滑相，它以M50钢为基体材料，以Ti₃SiC₂为润滑相。

按上述方案，所述润滑相的质量为基体材料质量的(8.0-12.0)wt.％.

按上述方案，所述基体材料M50钢主要包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe等。优选地，本发明中所述基体材料M50钢中各元素按质量百分比计为：C 0.75-0.85％，Mn≤0.35％，Si≤0.35％，Ni≤0.20％，Cr3.75-4.25％，Cu≤0.20％，Mo 4.00-4.50％，V 0..90-1.10％，以及余量的Fe。最优选地，本发明所述基体材料M50钢中元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe质量比比值为0.80：0.30：0.30：0.20：4.0：0.20：4.20：1.0：89.0。

上述以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料，它由含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用3D打印(选区激光融化(SLM)技术)制备而成。该含Ti₃SiC₂的M50球形粉末由Ti₃SiC₂和M50钢组成，Ti₃SiC₂质量为M50钢质量的(8.0-12.0)wt.％。

上述方案中，3D打印工艺参数为：激光功率为450-500W，扫描速度为1800-2000mm/s，铺粉厚度为0.05-0.08mm，搭接率为40％，光斑直径为0.15mm，扫描间距为0.09mm。

上述方案中，所述含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒径为25μm-60μm。该含Ti₃SiC₂的M50球形粉末可以采用水气联合雾化法制取，制备方法主要包括如下步骤：

1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取其组成元素的单质粉末，作为基体材料的原料；按照Ti₃SiC₂质量为基体材料的原料的(8.0-12.0)wt.％称取Ti₃SiC₂粉末，然后与基体材料的原料混合均匀，得到初始配料；

2)将步骤1)所得初始配料在真空下进行熔化，得到熔液；将熔液进行雾化，雾化所得熔滴冷却凝固后形成球形粉末，即为含Ti₃SiC₂的M50球形粉末。

上述方案中，所需M50各个组成元素单质粉末粒径为20μm-40μm，所需Ti₃SiC₂的粉末粒径为10-30μm。

上述方案中，步骤1)中混合采用振动混料，振动频率为45-50Hz，振动力为10000-11000N，振荡时间为30-40min。

按上述方案，步骤2)中熔化过程中升温温度范围为1450-1550℃。

按上述方案，步骤2)中雾化时，雾化气体的压力为0.5-2.1MPa，雾化水的压力为70-100MPa。

上述方案中，步骤2)的具体工艺为：将步骤1)所得初始配料加入到熔炼坩埚在真空下进行熔化，熔融金属液(即熔液)流进入雾化区域，气雾化喷嘴喷出氩气，在高速气体流的作用下，熔融金属液流(即熔液)被粉碎成液滴，再经过高压水流的雾化，将液滴水雾化后喷出；雾化后的粉末进入收集罐，待粉末冷却后，脱水，干燥，收集筛分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末。其中，坩埚升温温度范围为1450-1550℃，雾化气体的压力为2MPa，雾化水的压力为85MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明该新型M50基自润滑复合材料具有较低的摩擦系数与磨损率，有效地提高了M50轴承钢的摩擦学性能，为实现M50基自润滑材料的工业化应用提供了实践基础。

2、本发明所述的以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料，利用选区激光融化(SLM)技术以逐层激光烧结的方式制备材料，制备的材料致密度高，提高了材料力学性能及摩擦磨损性能；且制备方法简单便捷，周期短，工艺参数易控制，效率高，适用于规模化批量生产，节约资源。

3、本发明以Ti₃SiC₂为润滑相，具有良好的润滑性能，同时在制备含Ti₃SiC₂的M50球形粉末过程中(坩埚熔化初始配料时)，有TiC产生，TiC作为一种增强相可以提高材料强度及韧性，进一步降低了M50的摩擦磨损。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图。

图2是本发明实施例1制备的含Ti₃SiC₂的M50球形粉末场发射扫描电镜照片。

图3是本发明实施例2制备的以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料的磨痕电子探针照片，测试条件为：温度25℃、载荷10N、滑动速度0.5m/s、时间40min。

图4是本发明实施例1、2、3制备的以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料的摩擦系数图，摩擦测试条件为：温度25℃、载荷10N、滑动速度0.5m/s、时间40min。

图5是本发明实施例1、2、3制备的以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料磨损率图，摩擦测试条件为：温度25℃、载荷10N、滑动速度0.5m/s、时间40min。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

下述实施例中，所述的一种以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料由含Ti₃SiC₂的M50球形粉末制备而成。本发明提供一种具体制备方法，但是不限定其制备方法，其他方法制备得到的符合本发明所述要求含Ti₃SiC₂的M50球形粉末、M50-Ti₃SiC₂自润滑复合材料也属于本发明的保护范围。

本发明提供以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取其组成元素的单质粉末，作为基体材料的原料；并根据基体材料的原料质量的(8.0-12.0)wt.％，称取润滑相Ti₃SiC₂粉末；其中，Ti₃SiC₂粉末粒径为10-30μm，所述M50所需各个元素单质粉末粒径为20μm-40μm；

2)将上述基体材料的原料和润滑相置于振动混料机中振动频率为45-50Hz，振动力为10000-11000N，振荡时间为30-40min，得到混合均匀的配料；

3)将混合均匀后的配料加入到熔炼坩埚进行熔化，坩埚升温温度范围为1450-1550℃，熔融金属液流进入雾化区域，气雾化喷嘴喷出氩气，在高速气体流的作用下，熔融金属液流被粉碎成液滴，再经过高压水流的雾化，将液滴水雾化后喷出，雾化气体的压力为0.5-2.1MPa，雾化水的压力为70-100MPa；雾化后的粉末进入收集罐，待粉末冷却后，脱水，干燥，收集筛分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒径为25μm-60μm；

4)将上述含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用SLM150金属3D打印机进行打印，经激光烧结得到所述的以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料；其中设置3D打印工艺参数为：激光功率为450-500W，扫描速度为1800-2000mm/s，铺粉厚度为0.05-0.08mm，搭接率为40％，光斑直径为0.15mm，扫描间距为0.09mm。

实施例1

一种以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料，由基体材料和润滑相组成，M50钢为基体材料，以Ti₃SiC₂为润滑相，以TiC为增强相，润滑相Ti₃SiC₂的质量为基体材料M50质量的8.0wt.％，基体材料M50钢包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe，元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe质量比值为0.80：0.30：0.30：0.20：4.0：0.20：4.20：1.0：89.0。

如图1所示，上述以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉组成，按一定质量分数比称得它们质量分别为：1.84g，0.69g，0.69g，0.46g，9.2g，0.46g，9.66g，2.3g，204.7g，作为基体材料的原料；并称取润滑相Ti₃SiC₂粉末的质量为18.4；其中，Ti₃SiC₂粉末粒径为10-30μm，所述M50所需各个元素单质粉末粒径为20μm-40μm；

2)将上述基体材料的原料和润滑相置于振动混料机中振动频率为45Hz，振动力为10000N，振荡时间为35min，得到混合均匀的配料；

3)将混合均匀后的配料加入到熔炼坩埚进行熔化，坩埚升温温度范围为1500℃，熔融金属液流进入雾化区域，气雾化喷嘴喷出氩气，在高速气体流的作用下，熔融金属液流被粉碎成液滴，再经过高压水流的雾化，将液滴水雾化后喷出，雾化气体的压力为2MPa，雾化水的压力为85MPa；雾化后的粉末进入收集罐，待粉末冷却后，脱水，干燥，收集筛分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒径为25μm-60μm；

4)将含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用SLM150金属3D打印机进行打印，3D打印工艺参数：激光功率为450W，扫描速度为1800mm/s，铺粉厚度为0.05mm，搭接率为40％，光斑直径为0.15mm，扫描间距为0.09mm；最终得到以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料。

经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例1所制备的以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料的硬度为6.77GPa，相对密度为95.1％。

由图2可看出，含Ti₃SiC₂的M50球形粉末表观形貌主要为球形和近球形，有极少量不规则形状粉末，完全符合3D打印对粉末球形度的要求；此外，还可看出其粒度分布具有一定范围(约为25μm-60μm)，但大颗粒少，平均粒度较小。

由图4和图5可知：实施例1制备的自润滑复合材料的平均摩擦系数小(约0.40)，且磨损率小(约1.27×10^-6mm³N^-1m^-1)，表现出优良的摩擦学性能。

实施例2

一种以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料，由基体材料和润滑相组成，M50钢为基体材料，以Ti₃SiC₂为润滑相，以TiC为增强相，润滑相Ti₃SiC₂的质量为基体材料M50质量的10wt.％，基体材料M50钢包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe，元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe质量比值为0.80：0.30：0.30：0.20：4.0：0.20：4.20：1.0：89.0。

如图1所示，上述以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉组成，按一定质量分数比称得它们质量分别为：1.8g，0.675g，0.675g，0.45g，9g，0.45g，9.45g，2.25g，200.25g，作为基体材料的原料；并称取润滑相Ti₃SiC₂粉末的质量为22.5g；其中，Ti₃SiC₂粉末粒径为10-30μm，所述M50所需各个元素单质粉末粒径为20μm-40μm；

2)将上述基体材料的原料和润滑相置于振动混料机中振动频率为45Hz，振动力为11000N，振荡时间为40min，得到混合均匀的配料；

3)将混合均匀后的配料加入到熔炼坩埚进行熔化，坩埚升温温度范围为1500℃，熔融金属液流进入雾化区域，气雾化喷嘴喷出氩气，在高速气体流的作用下，熔融金属液流被粉碎成液滴，再经过高压水流的雾化，将液滴水雾化后喷出，雾化气体的压力为2MPa，雾化水的压力为85MPa；雾化后的粉末进入收集罐，待粉末冷却后，脱水，干燥，收集筛分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒径为25μm-60μm；

4)将含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用SLM150金属3D打印机进行打印，3D打印工艺参数：激光功率为500W，扫描速度为1800mm/s，铺粉厚度为0.05mm，搭接率为40％，光斑直径为0.15mm，扫描间距为0.09mm；最终得到以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料。

经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例2所制备的以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料的硬度为7.13GPa，相对密度为95.6％。

实施例2制得的以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料(也可称为M50-Ti₃SiC₂自润滑复合材料)的磨痕电子探针照片如图3所示，可以看出磨痕表面非常光滑，这是由于润滑相Ti₃SiC₂具有低剪切力，使得M50-Ti₃SiC₂自润滑复合材料具有优良的减摩特性。同时在制备含Ti₃SiC₂的M50球形粉末过程中，有TiC产生，TiC作为一种增强相可以提高材料硬度，使得M50-Ti₃SiC₂自润滑复合材料具有优良的耐摩特性。

由图4和图5可知：实施例2制备的自润滑复合材料的平均摩擦系数小(约0.28)且磨损率小(约0.84×10^-6mm³N^-1m^-1)，表现出优良的摩擦学性能。

实施例3

一种以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料，由基体材料和润滑相组成，M50钢为基体材料，以Ti₃SiC₂为润滑相，以TiC为增强相，润滑相Ti₃SiC₂的质量为基体材料M50质量的12.0wt.％，基体材料M50钢包括元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe，元素C、Mn、Si、Ni、Cr、Cu、Mo、V和Fe质量比值为0.80：0.30：0.30：0.20：4.0：0.20：4.20：1.0：89.0。

如图1所示，上述以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)根据M50钢的组成元素及其含量，称取C粉、Mn粉、Si粉、Ni粉、Cr粉、Cu粉、Mo粉、V粉和Fe粉组成，按一定质量分数比称得它们质量分别为：1.76g，0.66g，0.66g，0.44g，8.8g，0.44g，9.24g，2.2g，195.8g，作为基体材料的原料；并称取润滑相Ti₃SiC₂粉末的质量为26.4g；其中，Ti₃SiC₂粉末粒径为10-30μm，所述M50所需各个元素单质粉末粒径为20μm-40μm；

2)将上述基体材料的原料和润滑相置于振动混料机中振动频率为50Hz，振动力为10000N，振荡时间为30min，得到混合均匀的配料；

3)将混合均匀后的配料加入到熔炼坩埚进行熔化，坩埚升温温度范围为1500℃，熔融金属液流进入雾化区域，气雾化喷嘴喷出氩气，在高速气体流的作用下，熔融金属液流被粉碎成液滴，再经过高压水流的雾化，将液滴水雾化后喷出，雾化气体的压力为2MPa，雾化水的压力为85MPa；雾化后的粉末进入收集罐，待粉末冷却后，脱水，干燥，收集筛分，得到含Ti₃SiC₂的M50球形粉末，粒径为25μm-60μm；

4)将含Ti₃SiC₂的M50球形粉末采用SLM150金属3D打印机进行打印，3D打印工艺参数：激光功率为500W，扫描速度为2000mm/s，铺粉厚度为0.05mm，搭接率为40％，光斑直径为0.15mm，扫描间距为0.09mm；最终得到以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料。

经过HVS-1000型数显显微硬度仪测试，实施例3所制备的以Ti₃SiC₂为润滑相的新型M50基自润滑复合材料的硬度为6.89GPa，相对密度为94.4％。

由图4和图5可知：实施例3制备的自润滑复合材料的平均摩擦系数小(约0.36)且磨损率小(约1.54×10^-6mm³N^-1m^-1)，表现出优良的摩擦学性能。

由实施例1，实施例2和实施例3可知，该新型M50基自润滑复合材料的具有优良的摩擦学性能，达到了预期的目的，为实现M50基自润滑材料的工业化应用提供了实践基础。同时由图4和图5可知，实施例2制备的自润滑复合材料的摩擦学性能更好，比较其3D打印参数(实施例1激光功率为450W，扫描速度为1800mm/s；实施例2激光功率为500W，扫描速度为1800mm/s；实施例3激光功率为500W，扫描速度为2000mm/s)，可知，在合理的范围内，随着扫描功率的增加，以及扫描速度的降低，材料的摩擦学性能有所改善，这可能是因为激光功率太低或扫描速度的增加，单位面积的热输入量不足以完全熔化粉末，造成材料的内部缺陷，使得其摩擦学性能稍微有所变差。

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(如激光功率、扫描速度、铺粉厚度等)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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明保护范围。