宽温域内具有高强度和连续自润滑性能的镍基材料的研究

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航空、航天、核工程等现代高新技术产业的发展,对极端苛刻工况条件下材料的润滑性能和强度提出了迫切需求。以先进发动机为代表的高温部件,不仅要求材料具有较高的力学性能,而且要求材料在宽温域(RT~1000℃)内具有良好的摩擦学性能。本文采用粉末冶金(高能球磨+真空热压烧结)的方法制备了一系列Ni基合金和Ni基复合材料,研究了合金元素和润滑组元对镍基材料的组织结构、机械性能和宽温域内摩擦学性能的影响,并揭示其宽温域内的润滑机理。主要研究结果如下:研究了Mo含量对NiCrAl合金组织及力学和摩擦学性能的影响,结果表明:适量的Mo可以改善材料的力学和摩擦学性能;随着Mo含量的升高,合金的室温压缩性能、硬度和密度等均增大,在宽温域范围内合金的力学性能下降(600℃除外),600℃出现反常,是由于Mo2C在中温起强化作用;随着温度的升高,合金的摩擦学性能均提高;其中5wt.%的Mo含量的Ni基合金,在宽温域内具有最优的力学及摩擦学性能,其900℃时的摩擦系数低至0.22、磨损率低至10-6mm3/(Nm)。其优异的摩擦学性能主要归因于磨痕表面形成的由NiO、NiMoO4等润滑剂组成的摩擦化学反应层。研究了Al元素对NiCrMo合金组织及力学和摩擦学性能的影响,研究结果表明:Al元素的加入减少了合金粉末的团聚,但促进了烧结过程中晶粒的长大,提高了合金的致密度和硬度;含Al的NiCrMoAl合金,在高温摩擦过程中,摩擦表面各组元发生了摩擦化学反应,形成了由氧化钼、氧化镍和钼酸镍等润滑剂组成的摩擦化学反应层,氧化钼、氧化镍和钼酸镍等作为高温润滑剂,改善了其在高温下的摩擦学性能;而未含Al的NiCrMo合金,生成了硬质相Cr2O3,且随着温度的升高Cr2O3的含量增加,导致磨粒磨损严重。研究了固体润滑剂(Ag、MoS2、Ag/MoS2)对NiCrMoAl合金组织及力学和摩擦学性能的影响,结果表明:10wt.%的Ag的加入,降低了合金室温~900℃内的摩擦系数,但增加了室温磨损,高温下,合金摩擦表面发生了摩擦化学反应,生成了NiO、MoO2、MoO3和Ag2MoO4等润滑相,在摩擦过程中,合金材料室温~900℃内摩擦系数的降低归因于Ag、NiO、Mo的氧化物和Ag2MoO4等的协同润滑作用;10wt.%的MoS2的加入显著提高了复合材料在中低温条件下的摩擦学性能,其优异的摩擦学性能主要归因于NiS、NiO、Mo的氧化物、NiMoO4等润滑剂的协同润滑作用,而700℃以上复合材料的摩擦系数降低不明显;当同时加入10wt.%的Ag和10wt.%的MoS2时,复合材料在宽温域内具有较优的摩擦学性能,并且在900℃时,复合材料组元之间由于发生了摩擦化学反应,生成了Ag2Mo2O7新相,宽温域内复合材料优异的摩擦学性能归因于Ag、NiS、NiO、Mo的氧化物、NiMoO4、Ag2MoO4和Ag2Mo2O7等润滑剂的协同润滑作用。
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