一种耐高温宽温域自润滑复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐高温宽温域自润滑复合材料，该复合材料的组成及各组分的重量百分含量为：镍基合金65–84%、Ag 10–20%、石墨1–5%、BaF2/CaF2共晶5–10%；镍基合金为雾化合金粉末，其组成及各组分的重量百分含量为：Ni 61–77%、Cr 15–20%、Mo 1–4%、Ti 5–10%、Al 2–5%；BaF2/CaF2共晶由重量百分比38%CaF2和62%BaF2组成。本发明专利技术还公开了该复合材料的制备方法，复合材料通过热压烧结技术制备。本发明专利技术所述复合材料在低温（–60℃）至高温800℃温度范围内具有低的摩擦系数和磨损率。本发明专利技术所述复合材料适合制作高温轴承、滑块等部件，在机械装备的高温运动系统有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种耐高温宽温域自润滑复合材料及其制备方法。该复合材料适合用于机械设备的高温运动系统部件，其工作温度可以在–60℃到800℃范围。
技术介绍
我国高新技术的快速发展，导致机械设备中的运动部位需要承受更高的温度，比如高温轴承、高温密封等关键部件。因此，高技术装备领域对于从低温（–60℃）至高温（800℃）条件下具有连续润滑性能的材料和技术具有迫切的需求。当温度大于400℃，常规的润滑油脂、聚合物基自润滑材料等由于挥发、分解而丧失了润滑作用，石墨、二硫化钼、软金属等单一的固体润滑剂适用温度范围较窄不能满足宽温域的实际使用需求。目前国内外已有关于宽温域自润滑材料和技术的公开专利和相关报道，主要为室温至高温700℃，而低温–60℃至高温的宽温域润滑材料和技术几乎还没有公开报道。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CN101791701A公开了一种镍基高温自润滑材料，室温下摩擦系数范围0.44-0.48，摩擦系数较高，500℃时摩擦系数在0.23–0.25。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。中国专利CN102102155A公开的镍-铝-石墨自润滑复合材料，室温下摩擦系数在0.31–0.37，600℃时摩擦系数在0.42–0.48，摩擦系数较高。文献（Composites: Part A 38 (2007) 348–352）报道了一种无压烧结的PM304材料，与Inconel X-750配副时，室温至800℃的摩擦系数在0.32–0.40，20℃时磨损率为41×10-5 mm3/Nm，800℃时，磨损率接近20×10-5 mm3/Nm，材料的磨损率较高。因此，开发一种低温至高温具有连续润滑性能的宽温域高温润滑材料在我国高端装备
具有非常重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种–60℃至800℃宽温域内具有良好自润滑性能的耐高温宽温域自润滑复合材料及其制备方法。本专利技术选用具有优异高温力学性能和抗氧化性能的镍基合金作为基体材料，采用复合固体润滑剂银、石墨、氟化物的协同作用实现低温至高温的宽温域连续润滑。一种耐高温宽温域自润滑复合材料，其特征在于该复合材料的组成及各组分的重量百分含量为：镍基合金 65–84%、Ag 10–20%、石墨 1–5%、BaF2/CaF2共晶 5–10%；所述镍基合金为雾化合金粉末，其组成及各组分的重量百分含量为： Ni 61–77%、Cr 15–20%、Mo 1–4%、Ti 5–10%、Al 2–5%；所述BaF2/CaF2共晶由重量百分比38% CaF2和62% BaF2组成。一种耐高温宽温域自润滑复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将镍基合金、银、石墨和BaF2/CaF2共晶粉末球磨混合得到混合粉末，然后将混合粉末装入石墨模具中并将其置于真空热压烧结炉中烧结，参数为：真空度低于5×10-1 Pa，升温速率20–40℃/min，烧结温度950–1300℃，压力5–40 MPa，保温时间5–30 min，烧结结束后，材料随炉冷却至室温得到耐高温宽温域自润滑复合材料。所述球磨的条件为：WC球磨罐，磨球为WC，球料比3–5:1，转速100–200转/分，时间5–10小时。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；用显微硬度计测试材料的硬度，测试条件为，载荷1 kg，加载持续时间10 s；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HT–1000高温摩擦磨损试验机评价复合材料的摩擦磨损性能，采用球-盘接触模式，所制备材料作为盘试样，对偶为GH4169超合金栓和Si3N4陶瓷球，载荷5 N，滑动线速度1 m/s，运行时间30 min，测试温度–60℃、25℃、200℃、400℃、600℃、800℃。摩擦系数和磨损率取3次试验平均值。本专利技术采用上述材料组成和工艺参数制备的耐高温宽温域自润滑复合材料具有以下优点：本专利技术的特点之一是，本专利技术所述材料致密度高，润滑相和基体相分布均匀且相互间结合性良好。本专利技术的特点之二是，本专利技术所述材料耐热性好、抗氧化稳定性高。本专利技术的特点之三是，本专利技术所述材料从低温（–60℃）至高温800℃呈现低的摩擦系数和磨损率，如附图1和附图2所示。本专利技术的特点之四是，本专利技术所述材料的强度较高，室温压缩强度为656–1035 MPa，硬度适中为2.6–3.5 GPa。本专利技术制备的宽温带自润滑复合材料组织结构良好，性能优异，作为机械装备中的高温运动系统部件具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例3制备材料摩擦系数随温度变化的曲线。平均摩擦系数在低温（–60℃）至高温800℃范围低于0.25，摩擦系数随温度变化较小。图2为本专利技术实施例1制备材料磨损率随温度变化的曲线。磨损率在10-5mm3/Nm量级，随温度升高先升高后降低，材料抗磨损性能较好。具体实施方式：实施例1：按照质量百分比：12%Ag、5%BaF2/CaF2共晶、4%石墨粉、79%镍基合金粉末，分别称取各粉末物料。其中镍基合金粉末组成为74%Ni、15%Cr、4%Mo、5%Ti、2%Al。将各种粉末装入WC球磨罐中，磨球为WC，球料比为5:1，然后将球磨罐置于高能球磨机中，在200转/分转速条件下混合5小时，得到混合粉末。将混合粉末装入石墨模具中，然后置于真空热压烧结炉中烧结，参数为：真空度1×10-1 Pa，升温速率25℃/min，烧结温度1250℃，压力35 MPa，保温时间25 min，烧结结束后，材料随炉冷却至室温得到耐高温宽温域自润滑复合材料。材料的室温压缩强度为656 MPa，显微硬度为2.8 GPa，复合材料–60℃至800℃宽温域内的摩擦系数和磨损率见表1。表1：实施材料1与Si3N4陶瓷球配副的摩擦系数和磨损率实施例2：按照质量百分比：15%Ag、8%BaF2/CaF2共晶、2%石墨粉、75%镍基合金粉末，分别称取各粉末物料。其中镍基合金粉末组成为70%Ni、18%Cr、3%Mo、6%Ti、3%Al。将各种粉末装入WC球磨罐中，磨球为WC，球料比为4:1，然后将球磨罐置于高能球磨机中，在180转/分转速条件下混合8小时，得到混合粉末。将混合粉末装入石墨模具中，然后置于真空热压烧结炉中烧结，参数为：真空度2×10-1 Pa，升温速率30℃/min，烧结温度1200℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耐高温宽温域自润滑复合材料，其特征在于该复合材料的组成及各组分的重量百分含量为：镍基合金 65–84%、Ag 10–20%、石墨 1–5%、BaF2/CaF2共晶 5–10%；所述镍基合金为雾化合金粉末，其组成及各组分的重量百分含量为： Ni 61–77%、Cr 15–20%、Mo 1–4%、Ti 5–10%、Al 2–5%；所述BaF2/CaF2共晶由重量百分比38% CaF2和62% BaF2组成。

【技术特征摘要】
1.一种耐高温宽温域自润滑复合材料，其特征在于该复合材料的组成及各组分的重量百分含量为：镍基合金 65–84%、Ag 10–20%、石墨 1–5%、BaF2/CaF2共晶 5–10%；所述镍基合金为雾化合金粉末，其组成及各组分的重量百分含量为： Ni 61–77%、Cr 15–20%、Mo 1–4%、Ti 5–10%、Al 2–5%；所述BaF2/CaF2共晶由重量百分比38% CaF2和62% BaF2组成。2.如权利要求1所述的耐高温宽温域自润滑复合材料的制备方法，其特征在于具体步...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨军，刘维民，甄金明，朱圣宇，程军，乔竹辉，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62