铜镍基合金粉末材料组织及摩擦磨损性能研究

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自人类出现以来,摩擦磨损就伴随而生,随着现代工业和高科技的发展,机械设备的摩擦磨损问题日益突出,每年造成的能源和经济的损失越来越大。因此,研发优质的耐磨材料,解决机械零件摩擦磨损问题是至关重要和十分迫切的任务。在实际使用过程中大多数材料会受热,在无水冷工况时,工件工作温度上升至80?200℃时磨损会加剧,失效严重,为此研究材料在热态下的磨损性能至关重要。  镍基合金以其优异的性能广泛的应用在船舶、石油化工、汽车、航空航天等领域,但是镍基合金粉末的韧性差、脆性很大、没有足够的延展性(δ5≤1%),不能够承受撞击和敲打,容易产生微裂纹或放射性裂纹;特别在表面喷涂和熔覆过程中容易剥皮,不容易与含碳量高的铁基材料喷涂熔覆。Cu元素能与许多元素互溶,且溶解度较大,起到固溶时效的作用,在镍基合金粉末中添加 Cu元素促进合金粉末在烧结或喷涂熔覆过程中的排气清渣,增强镍基合金的性能。在大量的实验研究的基础上,在镍基自熔性合金粉末中添加 Cu元素,开发出了铜镍基合金材料,此种材料磨损性能优异,可用于制造航空发动机涡轮盘元件、叶片、柱塞杆等。  采用粉末烧结技术制备添加不同含量 Cu粉的镍基合金。利用金相显微镜、SEM、XRD等仪器对合金的组织进行分析,并对其硬度、耐磨性进行研究,利用MMW-1型万能摩擦磨损试验机对合金在不同热态时的磨损进行测试。结果表明:微量的 Cu可细化镍基合金的晶粒,主要以Cu元素溶入到基体中,形成 NiCu、CrCu和含 Cu的 CuNiSi相均匀有序地镶嵌在基体上,材料在摩擦磨损工况下起到润滑的效果,因而改善镍基合金的磨损性能;实验证明,含1%Cu铜镍基合金的磨损量最低,且在40~240℃下磨损时,磨损表面形成 NiO、Ni2O3、Cr2O3、Fe2O3、Fe3O4、Cu2O、CuO致密的氧化膜,保护基体,随着温度上升,磨损仍能保持稳定态势,摩擦系数由0.2245降至约0.0748。  对含1%Cu铜镍基合金粉末进行火焰喷涂实验后发现,铜镍基涂层组织中细小的短条状和椭圆形晶粒Cr11B4FeCu均匀致密地镶嵌在基体组织中,而镍基合金涂层的组织上分布着黑色的残渣 Ni15Fe4CrSiO;镍基合金涂层的磨损曲线波动明显,磨痕和犁沟较深且明显,呈现黏着磨损的特征,而含1%铜镍基合金涂层保持平稳的磨损曲线,铜镍基合金涂层的磨损形貌则较为干净,磨痕较浅,磨损形态与烧结态结果一致。
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