一種寬真空耐高溫自潤滑復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種寬真空耐高溫自潤滑復合材料，該復合材料的組成及各組分所占的質量百分數為：Ni基合金40～89%、石墨1～10%、WS210～50%；Ni基合金為霧化合金粉末，其組成及各組分所占的質量百分數為：Ni 60～95%、Cr 1～10%、Mo 1～5%、W 1～5%、Cu 1～10%、Al 1～10%。本發明還公開了該復合材料的制備方法，通過熱壓燒結技術制備的復合材料在大氣至真空環境并且從低溫到高溫500℃具有良好的寬真空寬溫域自潤滑抗磨損性能，摩擦系數在0.06～0.20范圍，適合制作航空航天飛行器的高溫運動系統部件。
【專利說明】
一種寬真空耐高溫自潤滑復合材料及其制備方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種寬真空耐高溫自潤滑復合材料及其制備方法。該復合材料在連續 大氣到真空、低溫到500°C具有良好的寬真空寬溫域潤滑抗磨性能，適合制作航空航天飛行 器的高溫運動系統部件。
【背景技術】
[0002] 航空航天等高新技術的快速發展，對耐高溫潤滑材料的潤滑性能提出了更高的要 求。高溫環境是飛行器運動系統摩擦副所面對的苛刻工況條件。另外，隨著飛行器發射以及 飛行高度的變化，摩擦副將處于不同的真空環境下，連續變化的真空是飛行器所面對的又 一個苛刻工況條件。因此，航空航天飛行器的高溫摩擦系統將在連續高溫和真空的復雜極 端苛刻工況下工作。普通潤滑油脂及其它有機潤滑劑已不能滿足這種極端條件下的潤滑需 求，采用固體潤滑劑是解決其潤滑問題的有效途徑。由于傳統的固體潤滑劑的適用范圍較 窄，沒有能同時滿足連續真空和連續高溫的單一固體潤滑劑。因此，發展在寬真空寬溫域的 復雜工況環境下擁有良好潤滑性能的固體潤滑材料在航空航天領域具有重要的應用價值。
[0003] 目前國內外公開報道的高溫自潤滑材料多適用于高溫大氣環境下使用，其性能數 據為大氣環境下的測試結果。美國NASA報道的等離子噴涂PS304涂層（成分為NiCr-20% Cr2〇3-l〇%Ag-10%BaF2/CaF2)在25，500和650°C下的摩擦系數和磨損率分別為0.31，0.25， 0.23以及（48,28，10)\10- 5臟3/_(嫩5厶/^]?-2009-215678)。專利1]5 8753417 81報道的 PS400 涂層（成分為 NiMoAl-5%Ag-5%BaF2/CaF2_20%Cr2〇3)，在 25,500和650°(：下的摩擦系數 和磨損率分別為 〇.8,0.16,0.21以及（1 1.8,0.63,0.76) X 10 -5 mm3/Nm。中國專利 CN101463439A公開的一種Ni3Al基高溫自潤滑復合材料，室溫至1000 °C摩擦系數小于0.35， 磨損率低于5.OX HT5 mm3/Nm，自潤滑性能良好。然而，在高溫真空環境中使用的自潤滑材 料還未見報道，并且傳統固體潤滑材料在大氣和真空環境下的高溫摩擦學行為完全不同。 因此，解決寬真空寬溫域復雜環境下的潤滑問題需要開發新型的高溫自潤滑復合材料。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種在大氣至真空并且從室溫到高溫500°C復雜環境下具 有良好潤滑性能的寬真空耐高溫自潤滑復合材料及其制備方法。
[0005] 本發明選擇高溫力學性能和抗氧化性能均優異的鎳基合金作為基體，通過添加匹 配性良好的復合潤滑劑來實現復合材料在寬真空范圍寬溫域復雜環境下的連續潤滑。
[0006] -種寬真空耐高溫自潤滑復合材料，其特征在于該復合材料的組成及各組分所占 的質量百分數為:Ni基合金40~89%、石墨1~10%、WS2l0~50%;所述Ni基合金為霧化合金粉 末，其組成及各組分所占的質量百分數為:Ni 60~95%、Cr 1~10%、M〇 1~5%、W 1~5%、Cu 1~10%、A1 1~10%〇
[0007] 一種寬真空耐高溫自潤滑復合材料的制備方法，其特征在于具體步驟為：將Ni基 合金粉末、石墨粉末和WS 2粉末進行球磨干混合得到復合粉末，然后將混合后的復合粉末裝 入石墨模具中并將其置于真空熱壓燒結爐中進行熱壓成型燒結，燒結參數為:升溫速率?ο ~50°C/min，真空度10-2~10-1Pa,燒結溫度700~1000°C，燒結壓力5~40MPa，保溫時間10 ~60min，燒結完成后爐冷至室溫，得到塊體耐高溫自潤滑復合材料。
[0008] 所述球磨參數為:球磨時間4~8小時，球料比3~8:1，球磨罐和磨球均為碳化鎢硬 質合金，轉速200~300r/min。
[0009] 采用X射線衍射(XRD)分析材料的相組成;采用掃描電子顯微鏡（SEM)分析材料組 織結構和磨斑形貌特征；壓縮強度測試的試樣尺寸為Φ3πιπιΧ 4.5mm，壓頭下移速度為 0.05mm/min;采用栓盤接觸式真空高溫摩擦磨損試驗機測試材料的摩擦磨損性能，盤為本 發明的材料，尺寸為18.5 X 18.5 X 5mm3，對偶栓為GH4169鎳基超合金。實驗條件如下：接觸 應力7MPa，滑動速率0.033m/s，運行時間10分鐘，測試溫度為-60 °C、25 °C、200 °C和500 °C，真 空度為大氣、l〇〇〇Pa、IPa。寬真空耐高溫自潤滑復合材料性能指標如表1、表2和表3。
[0010] 衷1寬直空耐高淵自潤滑復合材料的件能
本發明的特點之一是，本發明所述材料適合于在大氣至真空以及低溫至高溫的復雜環 境下作為固體潤滑材料使用。
[0011] 本發明的特點之二是，本發明所述材料在這種復雜環境下具有優異的自潤滑性 能。
[0012] 本發明的特點之三是，本發明所述材料的組織結構均勻，力學性能良好。
[0013] 本發明的特點之四是，本發明所述材料的制備工藝簡單，性能可調控。
[0014] 本發明制備的自潤滑復合材料在寬真空寬溫域的復雜環境下具有優良的潤滑性 能，其作為航空航天飛行器等的高溫運動系統部件具有廣泛的應用前景。
【具體實施方式】
[0015] 實施例1: 按照質量百分數55%的Ni基合金，質量百分數為5%的石墨，質量百分數為40%的WS2，分 別稱取粉末材料，將其置于行星式高能球磨機中干混合，轉速為300r/min，球料比為8:1，磨 球為碳化鎢硬質合金球，球磨時間為6小時，獲得均勻的混合粉末。將該混合粉末裝入涂有 六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，爐腔真空度為KT 2~ 10一1Pa，升溫速率為10°C/min，燒結溫度為950°C，燒結壓力為35MPa，燒結時間為30min。燒結 完成后隨爐冷卻至室溫，得到致密的Ni-5%C-40%WS 2高溫自潤滑復合材料。
[0016] 實施例2: 按照質量百分數70%的Ni基合金，質量百分數為10%的石墨，質量百分數為20%的WS2，分 別稱取粉末材料，將其置于行星式高能球磨機中干混合，轉速為250r/min，球料比為6:1，磨 球為碳化鎢硬質合金球，球磨時間為4小時，獲得均勻的混合粉末。將該混合粉末裝入涂有 六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，爐腔真空度為KT 2~ HT1Pa，升溫速率為20°C/min，燒結溫度為900°C，燒結壓力為25MPa，燒結時間為60min。燒結 完成后隨爐冷卻至室溫，得到致密的Ni-10%C-20%WS 2高溫自潤滑復合材料。
[0017] 實施例3: 按照質量百分數60%的Ni基合金，質量百分數為10%的石墨，質量百分數為30%的WS2，分 別稱取粉末材料，將其置于行星式高能球磨機中干混合，轉速為250r/min，球料比為6:1，磨 球為碳化鎢硬質合金球，球磨時間為4小時，獲得均勻的混合粉末。將該混合粉末裝入涂有 六方氮化硼的石墨模具中，然后放入真空熱壓燒結爐中進行熱壓燒結，爐腔真空度為KT 2~ HT1Pa，升溫速率為20°C/min，燒結溫度為850°C，燒結壓力為25MPa，燒結時間為60min。燒結 完成后隨爐冷卻至室溫，得到致密的Ni-10%C-30%WS 2高溫自潤滑復合材料。
【主權項】
1. 一種寬真空耐高溫自潤滑復合材料，其特征在于該復合材料的組成及各組分所占的 質量百分數為:Ni基合金40~89%、石墨1~10%、WS 210~50%;所述Ni基合金為霧化合金粉 末，其組成及各組分所占的質量百分數為:Ni 60~95%、Cr 1~10%、M〇 1~5%、W 1~5%、Cu 1~10%、A1 1~10%〇2. 如權利要求1所述的寬真空耐高溫自潤滑復合材料的制備方法，其特征在于具體步 驟為:將Ni基合金粉末、石墨粉末和WS2粉末進行球磨干混合得到復合粉末，然后將混合后 的復合粉末裝入石墨模具中并將其置于真空熱壓燒結爐中進行熱壓成型燒結，燒結參數 為：升溫速率10~50°C/min，真空度10- 2~10-^a，燒結溫度700~1000°C，燒結壓力5~ 40MPa，保溫時間10~60min，燒結完成后爐冷至室溫，得到塊體耐高溫自潤滑復合材料。3. 如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述球磨參數為:球磨時間4~8小時，球 料比3~8:1，球磨罐和磨球均為碳化媽硬質合金，轉速200~300r/min。
【文檔編號】C22C29/00GK106086568SQ201610592468
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月26日 公開號201610592468.3, CN 106086568 A, CN 106086568A, CN 201610592468, CN-A-106086568, CN106086568 A, CN106086568A, CN201610592468, CN201610592468.3
【發明人】楊軍, 朱圣宇, 張 浩, 程軍, 喬竹輝, 劉維民
【申請人】中國科學院蘭州化學物理研究所