一種新型鎳鋁基自修復複合材料及其製備方法與流程
2023-06-07 03:54:17 2
本發明涉及金屬基複合材料及其製備技術領域，更具體地，涉及一種新型鎳鋁基自修復複合材料，以及其製備方法。
背景技術：
鎳鋁合金具有低密度、高強度、高熔點、高抗氧化和高抗腐蝕等優異性能，作為一種結構材料應用廣泛，但鎳鋁合金抗磨減摩性能差在一定程度上限制它的應用範圍。
為解決這一問題以擴大其應用領域，研究者們通過在鎳鋁合金中添加ZnO、Ti3SiC2、石墨烯等添加劑製得鎳鋁基複合材料，與鎳鋁合金相比，其抗磨減摩性能有明顯改善，已廣泛應用於航空、航天、軍事、核電和熱能工程等領域，如渦輪增壓器、燃氣輪機和航空發動機等。
高新技術領域的飛速發展使得結構材料的服役工況日益嚴峻，如高溫、高壓、重載等，因而新型添加劑的研究與開發是非常有價值的探索。蛇紋石作為添加劑已成為一種降低機械零部件摩擦磨損的有效途徑。蛇紋石作為潤滑油添加劑的研究表明，蛇紋石添加後的摩擦表面能夠形成一層具有較高硬度和較高光潔度的自修復膜，從而表現出良好的抗磨減摩性能。然而，嚴峻工況條件下潤滑油分子結構易變化等因素導致其喪失原有的優良性能，此時蛇紋石作為添加劑失去意義從而限制了其應用範圍。
為解決這一技術問題，本發明提出蛇紋石作為添加劑直接與鎳鋁合金複合製備鎳鋁基複合材料，有望滿足複合材料在嚴峻幹滑動摩擦工況下具有良好的自修復和抗磨減摩性能。
目前，金屬基複合材料領域中相近發明專利「一種含雲母粉鈦鋁基自修復複合材料的製備方法」（申請號201610030921.1）、採用放電等離子燒結法成功製備了含雲母粉鈦鋁基自修復複合材料，但其存在著一個難以克服的問題，即雲母粉添加導致了基體硬度降低，從而影響了鈦鋁基複合材料的推廣使用。
為解決這類技術問題，本發明提出引入鎳鋁基複合材料增強添加劑碳化鈦，可用以改善因蛇紋石添加而導致鎳鋁基複合材料基體硬度降低問題。
技術實現要素：
本發明的目的之一在於根據現有技術的不足，提供一種新型鎳鋁基自修復複合材料，該複合材料具有良好的抗磨減摩和自修復性能，且製備方法工藝簡單、參數易控、成本低，適合批量生產和推廣。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種新型鎳鋁基自修復複合材料，以鎳粉、鋁粉、蛇紋石粉和碳化鈦粉為原料製備而成，其中鎳粉質量百分數為57.8—63.1%，鋁粉質量百分數為31.2—33.9%，蛇紋石粉質量百分數為2—8%，碳化鈦粉質量百分數為1—3%，所述的蛇紋石和碳化鈦作為添加劑，協同改善複合材料的抗磨減摩和自修復性能。
所述的一種新型鎳鋁基自修復複合材料，其鎳粉平均粒徑25μm，純度大於99%。其鋁粉平均粒徑20μm，純度大於99%。其蛇紋石粉平均粒徑20μm，純度大於98%。其碳化鈦粉平均粒徑20μm，純度大於99%。
本發明的目的之二在於提供一種新型鎳鋁基自修復複合材料的其製備方法，該方法製備的新型鎳鋁基自修復複合材料具有良好的抗磨減摩和自修復性能，且製備工藝簡單、參數易控、成本低，適於批量生產和推廣。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種新型鎳鋁基自修復複合材料的製備方法，包含如下步驟：a）、按質量百分比稱量57.8—63.1%的鎳粉，31.2—33.9%的鋁粉，2—8%的蛇紋石粉和1—3%的碳化鈦粉，配備原料；b）、將上述原料置于振動力為9000N的高頻振動混料機，振動混料15分鐘，得到混合均勻的燒結配料；c）、將上述燒結配料放入石墨磨具中，採用放電等離子燒結製備，得到新型鎳鋁基自修復複合材料。
所述的一種新型鎳鋁基自修復複合材料的製備方法，放電等離子燒結製備工藝為：以150—180℃/min的升溫速率升至1100—1150℃，在35—45MPa壓強下保溫6—10min然後降溫。
本發明的有益效果是：
1，本發明製備的新型鎳鋁基自修復複合材料在幹滑動摩擦過程中能夠形成具有較高硬度和較高光潔度的自修復膜，從而發揮出良好的抗磨減摩性能，故在機械零部件上具有廣闊的應用前景。
2，碳化鈦引入能夠解決蛇紋石添加而導致材料基體硬度降低問題，從而使自修復複合材料優勢得到充分發揮。
3，放電等離子燒結工藝簡單、參數易控，且對環境無害，適於批量生產。
3，原料來源廣泛、成本低，易於推廣。
附圖說明
圖1是實施例1製備的新型鎳鋁基自修復複合材料的磨痕表面形貌圖；
圖2是實施例2製備的新型鎳鋁基自修復複合材料的磨痕表面形貌圖；
圖3是實施例3製備的新型鎳鋁基自修復複合材料的磨痕表面形貌圖；
圖4和圖5分別是實施例1、2、3製備的新型鎳鋁基自修復複合材料的摩擦係數曲線和磨損率直方圖，摩擦磨損工況條件為：室溫、載荷10N、滑動速度0.2m/s、時間60min。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
實施例1：
a）、按蛇紋石質量分數為2%和碳化鈦質量分數為1%的比例配料，稱量鎳粉6.31克、鋁粉3.39克、蛇紋石粉0.2克和碳化鈦粉0.1克，得到原始配料；
b）、將上述原始配料置于振動力為9000N的高頻振動混料機，振動混料15分鐘，得到混合均勻的燒結配料；
c）、將上述燒結配料放入石墨磨具中，在真空保護下採用放電等離子燒結，以150℃/min升溫速率升至1100℃，加壓至35MPa，保溫6min後降溫冷卻，製得新型鎳鋁基自修復複合材料。
採用HVS-1000型數顯顯微維氏硬度儀測試施例1製得的新型鎳鋁基自修復複合材料的硬度為5.65GPa。圖1是實施例1製得的新型鎳鋁基自修復複合材料的磨痕表面形貌圖，從圖中觀察到磨痕表面局部已形成一層具有較高光潔度的自修復膜。採用HVS-1000型數顯顯微維氏硬度儀測試該膜的硬度為5.78GPa，表明自修復膜具有較高的硬度。這種具有較高光潔度和較高硬度的自修復膜在滑動摩擦過程中能夠起到優異的減摩抗磨作用，見圖4和圖5，本實例製備的新型鎳鋁基自修復複合材料的摩擦係數為0.42且波動幅度小，磨損率為3.8×10-5mm3/(Nm)，表現了良好出的摩擦學性能。
實施例2：
a）、按蛇紋石質量分數為5%和碳化鈦質量分數為2%的比例配料，稱量鎳粉6.04克、鋁粉3.26克、蛇紋石粉0.5克和碳化鈦粉0.2克，得到原始配料；
b）、將上述原始配料置于振動力為9000N的高頻振動混料機，振動混料15分鐘，得到混合均勻的燒結配料；
c）、將上述燒結配料放入石墨磨具中，在真空保護下採用放電等離子燒結，以165℃/min升溫速率升至1100℃，加壓至40MPa，保溫8min後降溫冷卻，製得新型鎳鋁基自修復複合材料。
採用HVS-1000型數顯顯微維氏硬度儀測試施例2製得的新型鎳鋁基自修復複合材料的硬度為5.71GPa。圖2是實施例2製得的新型鎳鋁基自修復複合材料的磨痕表面形貌圖，從圖中觀察到磨痕表面整體光滑且覆蓋著一層具有較高光潔度的自修復膜。採用HVS-1000型數顯顯微維氏硬度儀測試該膜的硬度為5.95GPa，表明自修復膜具有較高的硬度。這種具有較高光潔度和較高硬度的自修復膜在滑動摩擦過程中能夠起到優異的減摩抗磨作用，見圖4和圖5，本實例製備的新型鎳鋁基自修復複合材料的摩擦係數為0.36且波動幅度小，磨損率為3.3×10-5mm3/(Nm)，表現了良好出的摩擦學性能。
實施例3：
a）、按蛇紋石質量分數為8%和碳化鈦質量分數為3%的比例配料，稱量鎳粉5.78克、鋁粉3.12克、蛇紋石粉0.8克和碳化鈦粉0.3克，得到原始配料；
b）、將上述原始配料置于振動力為9000N的高頻振動混料機，振動混料15分鐘，得到混合均勻的燒結配料；
c）、將上述燒結配料放入石墨磨具中，在真空保護下採用放電等離子燒結，以180℃/min升溫速率升至1150℃，加壓至45MPa，保溫10min後降溫冷卻，製得新型鎳鋁基自修復複合材料。
綜上，本發明開展蛇紋石和碳化鈦作為鎳鋁基複合材料添加劑的研究有著重要的理論與實際意義，研究結果不僅可以促進摩擦學學科與潤滑材料學科的發展，而且有助於擴大鎳鋁基複合材料的應用範圍。
採用HVS-1000型數顯顯微維氏硬度儀測試施例3製得的新型鎳鋁基自修復複合材料的硬度為5.67GPa。圖3是實施例3製得的新型鎳鋁基自修復複合材料的磨痕表面形貌圖，從圖中觀察到磨痕表面整體光滑且覆蓋著一層具有較高光潔度的自修復膜。採用HVS-1000型數顯顯微維氏硬度儀測試該膜的硬度為5.93GPa，表明自修復膜具有較高的硬度。這種具有較高光潔度和較高硬度的自修復膜在滑動摩擦過程中能夠起到優異的減摩抗磨作用，見圖4和圖5，本實例製備的新型鎳鋁基自修復複合材料的摩擦係數為0.33且波動幅度小，磨損率為2.9×10-5mm3/(Nm)，表現了良好出的摩擦學性能。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。