一种耐腐蚀高强度高韧性的金属基自润滑复合材料及其制备与应用的制作方法

：本发明属于耐腐蚀以及自润滑，具体涉及一种耐腐蚀高强度高韧性的金属基自润滑复合材料及其制备与应用，可用于航空、航天、能源、化工领域海洋或大气腐蚀环境服役的关节轴承、轴套、衬套等传动运动部件，且满足衬套冷缩或压合装配方案要求。

背景技术

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背景技术：

1、海洋环境腐蚀的典型特征是在海水或者盐雾中存在腐蚀性极强的氯离子，极易破坏材料表面的钝化膜。同时，摩擦过程在亚表面产生的疲劳裂纹也加速了表面钝化膜的剥落退化。

2、a.lopez(wear 338-339(2015)1-10)报道的一种海洋用高强钢在模拟海水中的损耗量是单一海水腐蚀损耗与单一磨损损耗的简单加和的2.1倍，固态自润滑是运动部件实现减磨降摩的最有效方案。由于固态自润滑材料剪切强度低，摩擦时可轻易完成在对磨表面之间的转移，使摩擦最终仅发生于两层自润滑膜层之间，大幅度降低摩擦系数与磨损量，同时保护了传动零部件与主承载件(运动件)。

3、中国专利(公开号cn107177758a)提出一种耐高温抗氧化的金属基自润滑复合材料及其制备方法。该复合材料是以高铝镍基合金为基体，氟化钙/氟化钡共晶以及搪瓷为自润滑相，以三氧化二铝为硬质相，以二氧化铈、三氧化二钇等任意配比的稀土氧化物为抗氧化剂共同组成，经放电等离子烧结制备而成。其中，按照重量百分比，高铝镍基合金为65％～82％，自润滑相为8％～15％(其中氟化钙/氟化钡共晶≤10％，搪瓷为3～10％，)，三氧化二铝为6～15％，抗氧化剂为2～10％。通过镍基合金的高铝设计、抗氧化剂与新型高温自润滑相搪瓷的加入，使该复合材料兼具了耐高温、抗氧化以及优异的自润滑综合性能，可用于抗氧化、耐高温、自润滑环境下零部件的生产。但是，该方法研制的自润滑复合材料因含有大量的陶瓷润滑相(如：氟化物和搪瓷8～15％)以及陶瓷颗粒(三氧化二铝6～15％)，致使韧塑性极低，无法满足复杂零部件加工要求，更不能满足自润滑衬套的冷缩和压合装配要求。

4、针对一些不宜进行油脂润滑而又面临海洋环境盐雾、海水腐蚀的关键传动部件，简单的合金材料已不能适应如此复杂苛刻的服役环境，亟需开发具有自润滑功能的耐腐蚀新型复合材料。涉及的领域包括深海油田开采、近海电力、舰船、飞机等。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种耐腐蚀高强度高韧性的金属基自润滑复合材料及其制备与应用，通过设计复合材料晶粒度、自润滑相复配比和尺寸、分布等制备的金属基复合材料突破了人们对材料自润滑性能、强韧性与耐腐蚀性能相矛盾的传统认知；在制备过程中，采用放电等离子烧结方式控制金属基体与自润滑相的界面反应，提高界面结合强度，降低孔隙率，从而实现力学性能的最优化，制备的该复合材料具有耐腐蚀、高强度、高韧性以及自润滑等优异的综合性能。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种耐腐蚀高强度高韧性的金属基自润滑复合材料，按重量百分含量计，该复合材料组成如下：

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5、其中，金属基体相为镍、钴、镍铬合金或者钴铬合金，制备复合材料用金属基体相的原始粉末颗粒度30～70μm；金属增强相为钼、钨、钽、铌任意一种或两种以上组合，制备复合材料用金属增强相的原始粉末颗粒度≤20μm；金属自润滑相为银或铜银合金，陶瓷自润滑相为二硫化钨和二硫化钼，且二硫化钼在复合材料中的重量百分含量≤2％；制备复合材料用金属自润滑相和陶瓷自润滑相的原始粉末为亚微米尺寸，粉末颗粒度≤2μm。

6、所述的耐腐蚀高强度高韧性的金属基自润滑复合材料，该复合材料呈网络状微观结构，表面无缺陷，金属自润滑相和陶瓷自润滑相在金属基体相中弥散分布，且与基体界面化学结合，金属增强相部分或全部固溶于金属基体相中。

7、所述的耐腐蚀高强度高韧性的金属基自润滑复合材料，该复合材料在海水中或盐雾腐蚀后的性能为：致密度≥98.0％，抗蚀性级别优于2级，中性盐雾腐蚀寿命≥500h，抗压强度≥1200mpa，压缩变形率≥25％。

8、所述的耐腐蚀高强度高韧性的金属基自润滑复合材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

9、(1)粉末混合：按照复合材料的成分配比将金属基体相粉末、金属增强相粉末、金属自润滑相粉末及陶瓷自润滑相粉末通过行星式球磨混合，转速280～320转/分，球磨时间10～15小时，得到混合均匀的复合粉末；

10、(2)真空放电等离子烧结：将步骤(1)所得复合粉末经真空放电等离子烧结后获得金属基自润滑复合材料。

11、所述的耐腐蚀高强度高韧性的金属基自润滑复合材料的制备方法，真空放电等离子烧结的工艺参数如下：

12、真空度﹤1×10-2atm；

13、烧结温度：1000～1100℃；

14、升温速度：50～100℃/min；

15、烧结压力：20～30mpa；

16、保温时间10～20min，保温后自然冷却。

17、所述的耐腐蚀高强度高韧性的金属基自润滑复合材料的应用，该复合材料应用于海洋环境油田开采、近海电力、船舶、飞机装备的衬套、关节轴承或轴类零部件的制备材料，适用于衬套的冷缩及压合装配。

18、本发明的设计原理及有益效果如下：

19、1、现有普通复合材料，高强度、高韧性与自润滑性能不能兼得，本发明采用金属自润滑相与陶瓷自润滑相相结合，大量陶瓷自润滑相的引入势必降低复合材料的断裂韧性，而低剪切强度的软金属(自润滑相)则降低了复合材料的屈服强度，使得复合材料难以实现力学性能与摩擦磨损性能的协同优化。本发明提供的复合材料强度高、韧性好，且摩擦系数以及磨损量低。该复合材料摩擦系数≤0.25，磨损率≤3×10-5mm3/(n.m)，抗压强度≥1200mpa，压缩变形率≥25％。

20、2、常规自润滑复合材料，耐腐蚀性能与自润滑性能不能兼得。摩擦磨损容易破坏腐蚀过程产生的钝化膜，从而加速腐蚀；而腐蚀会增加材料表面的脆性，诱导材料亚表面裂纹在摩擦过程中的萌生以及扩展，从而加速磨损。本发明提供的复合材料在海水环境下摩擦，其摩擦系数以及磨损量低、腐蚀速度小、材料在腐蚀和磨损交互作用下的总体消耗量小于单一腐蚀与单一磨损的简单加和。该复合材料在海水中或盐雾腐蚀后的相对致密度≥98.0％，抗蚀性级别优于2级，中性盐雾腐蚀寿命≥500h，摩擦系数≤0.25，磨损率≤3×10-5mm3/(n.m)。

21、3、放电等离子烧结升温速度快，可烧结制备高密度纳米级复合材料，组织结构可控，进而实现材料力学性能与摩擦磨损性能的最优化。正是由于其特殊的加热方式，自润滑相在加热过程中容易分解或与合金基体发生界面反应，从而损坏复合材料的自润滑性能。而本发明利用双重自润滑剂软金属银(或铜银合金)与硫化物(二硫化钨、二硫化钼)复配，由于硫化物与银的高亲和力，减弱硫化物与合金基体的反应，并促使亚微米银颗粒的溶解析出，甚至纳米化，与合金基体形成界面化学或冶金结合，保证了复合材料力学性能的同时，提高自润滑相的高温稳定性，实现材料力学性能与自润滑性能的双重优化。

22、4、本发明提供的耐腐蚀高强度高韧性金属基自润滑复合材料兼具优异的力学性能、耐腐蚀性能以及自润滑性能。腐蚀环境下的磨损率较铝青铜材料降低一个数量级，摩擦系数降低50％，强度提高100％。本发明方法烧结制备的复合材料，可加工成各种形状的运动构件，从而作为海洋环境下各种装备的衬套、关节轴承、轴套等运动或传动零部件的制备原材料。

23、5、本发明通过特殊的材料成分设计、网络状组织结构调控，通过各组分颗粒粒径选择，控制球磨工艺以及放电等离子烧结，获得呈网络状结构的自润滑复合材料，克服了传统材料力学性能、耐腐蚀性能与耐磨损自润滑性能不能兼得的缺点，制备的复合材料具有优异的耐腐蚀、高强度、自润滑综合性能。