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CN106086568A - 一种宽真空耐高温自润滑复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种宽真空耐高温自润滑复合材料及其制备方法 Download PDF

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朱圣宇
张�浩
程军
乔竹辉
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Abstract

本发明公开了一种宽真空耐高温自润滑复合材料，该复合材料的组成及各组分所占的质量百分数为：Ni基合金40～89%、石墨1～10%、WS210～50%；Ni基合金为雾化合金粉末，其组成及各组分所占的质量百分数为：Ni 60～95%、Cr 1～10%、Mo 1～5%、W 1～5%、Cu 1～10%、Al 1～10%。本发明还公开了该复合材料的制备方法，通过热压烧结技术制备的复合材料在大气至真空环境并且从低温到高温500℃具有良好的宽真空宽温域自润滑抗磨损性能，摩擦系数在0.06～0.20范围，适合制作航空航天飞行器的高温运动系统部件。

Description

一种宽真空耐高温自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种宽真空耐高温自润滑复合材料及其制备方法。该复合材料在连续大气到真空、低温到500℃具有良好的宽真空宽温域润滑抗磨性能，适合制作航空航天飞行器的高温运动系统部件。
背景技术
航空航天等高新技术的快速发展，对耐高温润滑材料的润滑性能提出了更高的要求。高温环境是飞行器运动系统摩擦副所面对的苛刻工况条件。另外，随着飞行器发射以及飞行高度的变化，摩擦副将处于不同的真空环境下，连续变化的真空是飞行器所面对的又一个苛刻工况条件。因此，航空航天飞行器的高温摩擦系统将在连续高温和真空的复杂极端苛刻工况下工作。普通润滑油脂及其它有机润滑剂已不能满足这种极端条件下的润滑需求，采用固体润滑剂是解决其润滑问题的有效途径。由于传统的固体润滑剂的适用范围较窄，没有能同时满足连续真空和连续高温的单一固体润滑剂。因此，发展在宽真空宽温域的复杂工况环境下拥有良好润滑性能的固体润滑材料在航空航天领域具有重要的应用价值。
目前国内外公开报道的高温自润滑材料多适用于高温大气环境下使用，其性能数据为大气环境下的测试结果。美国NASA报道的等离子喷涂PS304涂层（成分为NiCr-20%Cr2O3-10%Ag-10%BaF2/CaF2）在25，500和650℃下的摩擦系数和磨损率分别为0.31，0.25，0.23以及（48，28，10）×10-5 mm3/Nm （NASA/TM-2009-215678）。专利US 8753417 B1报道的PS400涂层（成分为NiMoAl-5%Ag-5%BaF2/CaF2-20%Cr2O3），在25，500和650℃下的摩擦系数和磨损率分别为0.8，0.16，0.21以及（11.8，0.63，0.76）×10-5 mm3/Nm。中国专利CN101463439A公开的一种Ni3Al基高温自润滑复合材料，室温至1000℃摩擦系数小于0.35，磨损率低于5.0×10-5 mm3/Nm，自润滑性能良好。然而，在高温真空环境中使用的自润滑材料还未见报道，并且传统固体润滑材料在大气和真空环境下的高温摩擦学行为完全不同。因此，解决宽真空宽温域复杂环境下的润滑问题需要开发新型的高温自润滑复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在大气至真空并且从室温到高温500℃复杂环境下具有良好润滑性能的宽真空耐高温自润滑复合材料及其制备方法。
本发明选择高温力学性能和抗氧化性能均优异的镍基合金作为基体，通过添加匹配性良好的复合润滑剂来实现复合材料在宽真空范围宽温域复杂环境下的连续润滑。
一种宽真空耐高温自润滑复合材料，其特征在于该复合材料的组成及各组分所占的质量百分数为：Ni基合金40～89%、石墨1～10%、WS210～50%；所述Ni基合金为雾化合金粉末，其组成及各组分所占的质量百分数为：Ni 60～95%、Cr 1～10%、Mo 1～5%、W 1～5%、Cu1～10%、Al 1～10%。
一种宽真空耐高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将Ni基合金粉末、石墨粉末和WS2粉末进行球磨干混合得到复合粉末，然后将混合后的复合粉末装入石墨模具中并将其置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结参数为：升温速率10～50℃/min，真空度10-2～10-1Pa，烧结温度700～1000℃，烧结压力5～40MPa，保温时间10～60min，烧结完成后炉冷至室温，得到块体耐高温自润滑复合材料。
所述球磨参数为：球磨时间4～8小时，球料比3～8：1，球磨罐和磨球均为碳化钨硬质合金，转速200～300r/min。
采用X射线衍射（XRD）分析材料的相组成；采用扫描电子显微镜（SEM）分析材料组织结构和磨斑形貌特征；压缩强度测试的试样尺寸为φ3mm×4.5mm，压头下移速度为0.05mm/min；采用栓盘接触式真空高温摩擦磨损试验机测试材料的摩擦磨损性能，盘为本发明的材料，尺寸为18.5×18.5×5mm3，对偶栓为GH4169镍基超合金。实验条件如下：接触应力7MPa，滑动速率0.033m/s，运行时间10分钟，测试温度为–60℃、25℃、200℃和500℃，真空度为大气、1000Pa、1Pa。宽真空耐高温自润滑复合材料性能指标如表1、表2和表3。
表1 宽真空耐高温自润滑复合材料的性能
表2 宽真空耐高温自润滑复合材料的摩擦系数
表3 宽真空耐高温自润滑复合材料的磨损率（10-6mm3/Nm）
本发明的特点之一是，本发明所述材料适合于在大气至真空以及低温至高温的复杂环境下作为固体润滑材料使用。
本发明的特点之二是，本发明所述材料在这种复杂环境下具有优异的自润滑性能。
本发明的特点之三是，本发明所述材料的组织结构均匀，力学性能良好。
本发明的特点之四是，本发明所述材料的制备工艺简单，性能可调控。
本发明制备的自润滑复合材料在宽真空宽温域的复杂环境下具有优良的润滑性能，其作为航空航天飞行器等的高温运动系统部件具有广泛的应用前景。
具体实施方式
实施例1：
按照质量百分数55%的Ni基合金，质量百分数为5%的石墨，质量百分数为40%的WS2，分别称取粉末材料，将其置于行星式高能球磨机中干混合，转速为300r/min，球料比为8:1，磨球为碳化钨硬质合金球，球磨时间为6小时，获得均匀的混合粉末。将该混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-2～10-1Pa，升温速率为10℃/min，烧结温度为950℃，烧结压力为35MPa，烧结时间为30min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Ni-5%C-40%WS2高温自润滑复合材料。
实施例2：
按照质量百分数70%的Ni基合金，质量百分数为10%的石墨，质量百分数为20%的WS2，分别称取粉末材料，将其置于行星式高能球磨机中干混合，转速为250r/min，球料比为6:1，磨球为碳化钨硬质合金球，球磨时间为4小时，获得均匀的混合粉末。将该混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-2～10-1Pa，升温速率为20℃/min，烧结温度为900℃，烧结压力为25MPa，烧结时间为60min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Ni-10%C-20%WS2高温自润滑复合材料。
实施例3：
按照质量百分数60%的Ni基合金，质量百分数为10%的石墨，质量百分数为30%的WS2，分别称取粉末材料，将其置于行星式高能球磨机中干混合，转速为250r/min，球料比为6:1，磨球为碳化钨硬质合金球，球磨时间为4小时，获得均匀的混合粉末。将该混合粉末装入涂有六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，炉腔真空度为10-2～10-1Pa，升温速率为20℃/min，烧结温度为850℃，烧结压力为25MPa，烧结时间为60min。烧结完成后随炉冷却至室温，得到致密的Ni-10%C-30%WS2高温自润滑复合材料。

Claims (3)

1.一种宽真空耐高温自润滑复合材料，其特征在于该复合材料的组成及各组分所占的质量百分数为：Ni基合金40～89%、石墨1～10%、WS210～50%；所述Ni基合金为雾化合金粉末，其组成及各组分所占的质量百分数为：Ni 60～95%、Cr 1～10%、Mo 1～5%、W 1～5%、Cu1～10%、Al 1～10%。
2.如权利要求1所述的宽真空耐高温自润滑复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将Ni基合金粉末、石墨粉末和WS2粉末进行球磨干混合得到复合粉末，然后将混合后的复合粉末装入石墨模具中并将其置于真空热压烧结炉中进行热压成型烧结，烧结参数为：升温速率10～50℃/min，真空度10-2～10-1Pa，烧结温度700～1000℃，烧结压力5～40MPa，保温时间10～60min，烧结完成后炉冷至室温，得到块体耐高温自润滑复合材料。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述球磨参数为：球磨时间4～8小时，球料比3～8：1，球磨罐和磨球均为碳化钨硬质合金，转速200～300r/min。
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