一種新型NiAl基固體自潤滑復合材料及其制備工藝的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于復合材料制備技術領域，具體涉及一種以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為潤滑相的新型NiAl基固體自潤滑復合材料及其制備工藝。
【背景技術】
[0002]隨著航空、航天及汽車工業的快速發展，一些極端工況條件如高溫、超高真空、強輻射等環境下的運動部件對固體自潤滑復合材料提出了更高的要求，推動著固體自潤滑復合材料的快速發展。因此，研發新型耐高溫固體自潤滑材料成為一種必要。NiAl基金屬材料因具有熔點高、密度低、熱導率大和抗氧化性能優異等特點，而受到一些科研研究工作者的廣泛重視。（董虹星，賀躍輝.金屬間化合物NiAl的研究進展[J].中南大學學報（自然科學版），2007(6): 83-88.周健，郭建亭，李谷松.Ag對NiAl合金組織和性能的影響[J].材料工程，2002(3):5-11. [3] Shi,X. L.，Zhai，W. Ζ·，Wang，M.，Xu，Z. X.，Yao，J.，Song，S.Y. and Wang ,Y. Tribological Behaviors of NiAl Based SeIf-LubricatingComposites Containing Different Solid Lubricants at Elevated Temperatures[J].Wear,2014(310): 1-11.)。然而，NiAl基金屬材料的摩擦學性能較差，限制了其在航空、航空及汽車工業的進一步發展。
[0003]近年來，一些摩擦學研究工作者對NiAl金屬間化合物的摩擦學性能進行了一系列的研究。J.A. Hawk等人將不同含量和尺寸的TiB2顆粒加入NiAl合金中，采用真空燒結等技術制備出來NiAl基固體自潤滑復合材料(NiAl-TiB2)，并對其摩擦學性能進行測試。研究結果表明，固體自潤滑復合材料NiAl-TiB2的磨損量隨TiB2添加量的增加而減小。（J.A. Hawk,D.E. Alman. Abrasive wear behavior of NiAl and NiAl~TiB2 composites[J]. Wear，1999，225(I):544-556.)王振生等人研究了原位內生NiAl-Al2O3-TiC與SiC陶瓷盤配副在600-900°C下的摩擦磨損特性。研究結果表明：在700-900°C范圍內，由于在磨痕表面上生成了具有自潤滑性能的潤滑層，導致了NiAl-Al2O3-TiC的自潤滑性能得到顯著提高，多次摩擦測試表明所得摩擦系數和磨損率均低于Ni基高溫合金。(王振生，周蘭章，郭建亭，等.原位內生NiAl-Al2O3-TiC的高溫磨損特性[J].摩擦學學報，2008，28(6) :497-502.)周蘭章等人采用Ni粉、Al粉、TiO2粉和碳黑做為原材料，通過采用真空熱壓原位合成的工藝制備NiAl-Al2O3-TiC復合材料，在載荷不超過30N，最大滑動速度不超過0. 5m/s，環境溫度700_900°C的工況下具有優異的高溫自潤滑性能和耐磨性能。（周蘭章，王振生，郭建亭等.一種鎳鋁基復合材料作為高溫自潤滑耐磨材料的應用.中國發明專利，專利申請號200810012052.5，申請日期:2008-06-27.)
以往的制備工藝主要集中在通過向NiAl基體中添加固體潤滑劑制備復合材料、在NiAl基體表面沉積潤滑涂層、在NiAl基體中摻雜增強相或原位合成單純增強相。然而，復合材料中潤滑劑的添加量少，對潤滑性能改善效果不明顯;而潤滑劑添加量過多，則會使材料的力學性能下降。導致了對潤滑劑與基體的潤濕性很難控制，難以保證潤滑劑在復合材料制備過程中的穩定性。而潤滑涂層壽命較短，涂層一旦失效將破壞摩擦副間的潤滑性能。(李建亮.寬溫域固體潤滑材料及涂層的高溫摩擦學特性研究[D].南京理工大學，2009.9.)
為進一步提高NiAl基金屬材料的摩擦學性能，國內外學者不斷開展新的研究工作。軟金屬Ag作為一種潤滑相具有較低的剪切強度和優良的塑性流動性能，在摩擦磨損過程中通過產生晶間滑移和塑性流動而具有較好的潤滑性能，因而受到很多國內外學者的關注。Tyagi. R等人研究了含潤滑劑Ag的Ni基復合材料的摩擦學性能，發現潤滑相Ag在滑動摩擦過程中會向磨痕的表面擴散，形成了具有低剪切應力潤滑膜，提高了復合材料的潤滑性能，降低材料的摩擦系數和磨損率。（Tyagi · R. ,Xiong D S，Li J L，et al. Elevatedtempersture tribological behavior of Ni based composites containing nano-silver and hBN [J]· Wear,2010,269(11): 884-890 ·)王昊?路等人的研究表明，由于軟金屬Ag在摩擦磨損的過程中從基體中不斷地被擠出，在磨痕表面鋪展成潤滑膜，提高了復合材料的減摩、耐磨性能。（王昊璐，李長生，董麗榮，等.不同含量Ag摻雜對YBa2Cu3Ox和Bi2Sr2CaCu2Ox固體自潤滑復合材料摩擦學性能的影響[J].材料導報，2009( 10):55-57.)
近年來，由于層狀結構的板狀晶體，具有制造工藝簡單可靠、且易與基體復合等優良性能，價格較低、熱穩定性高。在摩擦磨損過程中，由于層狀結構的板狀晶體層間結合力較弱，在滑動摩擦磨損的過程中通過層與層之間的分離，達到提高固體自潤滑復合材料減摩和抗磨性能，因而，層狀結構的板狀晶體可選擇作為一種優良的固體潤滑劑。
[0004]周振君等人采用氧化鋁制備出了含板狀氧化鋁的Y-TZP/板狀氧化鋁復相陶瓷，并研究了其摩擦學性能。實驗測試結果表明，相同載荷下Y-TZP/板狀氧化鋁復相陶瓷的磨損率較低。（周振君，郭艷杰，楊正方.四方氧化鋯多晶/氧化鋁復相陶瓷的摩擦磨損性能研究[J].摩擦學學報，2007(27): 166-171.)。
[0005]上述有關報道在合成工藝、工藝參數、技術路線、原始材料與配比等方面都和本發明存在著顯著的不同。考慮到Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體具有良好的層狀結構、制造工藝簡單可靠、較易與基體復合等優良性能，以及金屬Ag具有低剪切強度，易于在磨痕表面鋪展，形成一層具有減摩和抗磨性能的潤滑膜等優良性能，因此選用NiAl基金屬材料(NiAl)+固體潤滑相(Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體)制備NiAl復合材料成為一種新型的減摩、抗磨和耐高溫的固體自潤滑復合材料。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為潤滑相的新型NiAl基固體自潤滑復合材料及其制備工藝，該固體自潤滑復合材料將Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體原位復合在NiAl基體中，所得的固體自潤滑復合材料具有優良的摩擦學性能，且制備工藝簡單，制備過程中工藝參數容易控制。
[0007]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種新型NiAl基固體自潤滑復合材料，該新型NiAl基固體自潤滑復合材料是以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為復合潤滑相，由Ni粉、Al粉、Ag粉和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體制備而成，其中Ni=Al的摩爾比= 1:1，加入的Ag粉質量為Ni粉和Al粉總質量的（10-15)wt ·%，加入的Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體的質量為Ni粉和Al粉總質量的（5-10)wt · %。
[0008]所述的新型NiAl基固體自潤滑復合材料的制備工藝，它包含以下幾個步驟：
(I)按1:2:1:1的摩爾比選取鉬酸銨粉、硼粉、鋯粉和鉻粉，采用行星球磨機進行混料和細化，制備出Mo-B-O-Zr-Cr五兀板狀晶體初始混料；
(2)在氮氣的保護下，將Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體初始混料采用放電等離子燒結設備進行燒結，制備出Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體；
(3)按附:41的摩爾比=1:1選取附粉和41粉，按附粉和41粉總質量的（10-15)?丨.％選取Ag粉、按Ni粉和Al粉總質量的（5-10)wt. %選取Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體，將Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體、Ni粉、Al粉和Ag粉進行混合，得到配料；
(4)將步驟(3)得到的配料置于振動混料機內進行干式混料，得到燒結配料；
(5)將步驟(4)得到的燒結配料采用熱壓燒結得到以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為復合潤滑相的新型NiAl基固體自潤滑復合材料。
[0009]所述步驟（I)中行星球磨機的轉速為100-300轉/分鐘，球料質量比為8:1-10:1，行星球磨時間為2-3小時。
[0010]所述步驟（I)制備得到的Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體初始混料的平均粒徑為5-15
μ??ο
[0011]所述步驟(2)中的采用放電等離子燒結設備進行燒結的工藝為:燒結溫度450-7500C，保溫時間20_40min。
[0012]所述步驟（2)制備得到的Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體厚度為2-5μπι，長度為110-700ymo
[0013]所述步驟（4)中的振動混料機外罐為鋼罐，內置聚四氟乙烯罐，振動頻率為45-55Hz，振動力為9000-11000Ν，振蕩時間為50-70分鐘。
[0014]所述步驟（5)中的熱壓燒結工藝為：燒結溫度為1300-1400°C、升溫速率為40-60°C/min、燒結壓力為25-40MPa、真空度設置為I X 10—2_1 X 10—1Pa'保溫時間為60_80min。
[0015]本發明的有益效果:本發明的自潤滑復合材料添加硼(B)的能顯著提高鎳鋁的常溫和高溫韌性;適量的鋯(Zr)可以改善鎳鋁合金的塑性、抗蠕變能力和可鑄性;鉻(Cr)是強化鎳鋁合金的常用元素，它有固溶強化作用，能在一定程度上提高合金的強度和延展性。另外，金屬Ag具有低剪切強度，易于在磨痕表面鋪展，形成一層具有減摩和抗磨性能的潤滑膜，通過在材料表面和晶界形成一層鉻的氧化物膜可提高合金的抗氧化能力，且由于這些元素加入量較少，如不能保證其均勻彌散，相應效果會大大收到影響，因此本發明采用在氮氣的保護下，將Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體初始混料采用放電等離子燒結設備進行燒結，制備出Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體，提高了分散程度，更均一穩定，相應的產品的性能也得到改善。本發明制備得到的以Ag和Mo-B-O-Zr-Cr五元板狀晶體為復合潤滑相的新型NiAl基固體自潤滑復合材料性能優良、可行性高;制備工藝新穎，制備簡單、快捷;制備所需原材料價格適中，來源廣泛;采用SPS工藝制備固體自潤滑復合材料，提高合成效率，節約能源;具有穩定優良的摩擦學性能，該固體自潤滑復合材料具有優良的減摩、抗磨性能，且易于加工，能源消耗低，適用于規模化生產。
【附圖說明】
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圖I是本發