一種Ni3Al基自潤滑材料及其製備方法與流程
2023-06-22 03:47:07 2
本發明涉及一種以石墨烯和鈦矽碳(Ti3SiC2)為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料及其製備方法。
背景技術：
隨著現代工業技術尤其是航空、航天技術的迅速發展，一些在極端工況條件如高溫、高載、強輻射等環境下的運動部件對於潤滑材料的耐高溫、耐磨損等性能提出了越來越高的要求。因而迫切需要發展固體潤滑技術，以解決傳統潤滑材料在苛刻工況下的潤滑失效問題。固體自潤滑材料因在高溫、高載等苛刻環境下仍具有良好的減磨耐磨作用而受到國內外學者的廣泛關注。Ni3Al金屬間化合物因具有熔點高、抗蠕變強度大、耐腐蝕及高溫抗氧化性能強等特點，已被廣泛應用於航空、冶金、機械、環保工業等領域。但Ni3Al金屬間化合物的室溫塑性低、斷裂韌性差，這些特點限制了其在工業上的應用。因而，如何進一步提高Ni3Al金屬間化合物在苛刻條件下的摩擦學性能來滿足工業使用的要求變得非常重要。
Ni3Al作為一種高溫結構材料，在近幾十年得到了廣泛的研究。但由於Ni3Al金屬間化合物存在熔點較高、室溫塑性低及低溫易脆的特點，使得採用傳統熔煉法製備的成本較高，同時後續的材料加工不便，使其在工程應用上受到一定的制約。此外，針對我國節能減排、降低汙染的趨勢，不僅對先進工程材料的減摩耐磨性能，而且對材料的製備加工技術也提出了更高的要求，有必要進一步研究新型的固體自潤滑材料製備技術。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料及其製備方法，石墨烯和Ti3SiC2原位複合在Ni3Al基體中，所得的自潤滑材料具有優良的摩擦學性能，且製備方法簡單新穎，工藝易控制。
本發明為解決上述提出的問題所採用的技術方案為：
一種Ni3Al基自潤滑材料，它以Ni3Al為基體，以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相。其中，石墨烯的添加量為基體Ni3Al質量的(1.0-1.5)wt.％，Ti3SiC2的添加量為基體Ni3Al的(6.0-10.0)wt.％。
按上述方案，所述基體Ni3Al中元素Ni和Al的摩爾比為3：1左右，優選3：1。
上述以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料，它由含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末採用雷射熔融沉積製備而成。該球形粉末由石墨烯、Ti3SiC2和Ni3Al組成，石墨烯質量為Ni3Al質量的(1.0-1.5)wt.％，Ti3SiC2的質量為Ni3Al的(6.0-10.0)wt.％；Ni3Al中元素Ni和Al的摩爾比為3：1。
上述方案中，所述含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末，其製備方法包括如下步驟：
1)按Ni和Al摩爾比為3：1選取Ni粉、Al粉作為基體粉末；按Ni粉的Al粉總質量的(1.0-1.5)wt.％和(6.0-10.0)wt.％，分別選取石墨烯粉末和Ti3SiC2粉末作為潤滑相和增強相粉末；將基體粉末、潤滑相和增強相粉末充分混合；
2)將步驟1)所得充分混合後的粉末在惰性氣體的保護下進行熔化，得到熔融合金液；
3)將熔融合金液進行霧化，霧化所得熔滴冷卻凝固後形成球形金屬粉末，即為所需的含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末。
上述方案中，步驟1)所述的粉末混合，採用振動混料；其中，振動頻率為45-55Hz，振動力為10000-12000N，振蕩時間為30-40min；
上述方案中，步驟2)所述惰性氣體優選氮氣等。充入惰性氣體前，預先抽真空至真空度為<0.08Pa；充入惰性氣體後，其中含氧量<100ppm。
上述方案中，步驟2)中所述熔化的溫度為1100-1300℃。
上述方案中，步驟2)中霧化的具體方法為：首先啟動霧化轉盤，待霧化器運轉正常後，打開放液閥將熔融合金液放入霧化轉盤上，使旋轉盤處於高速旋轉狀態，在霧化器中將熔融合金液進行霧化。其中，旋轉盤轉速為40000-50000r/min；熔融合金液流量1.2-2.0kg/min。
上述方案中，步驟3)所需的含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末進行篩選，粒徑優選控制在15-50μm範圍內。
上述以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料，它由含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末採用雷射熔融沉積製備而成。具體製備方法包括如下步驟：選取含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末，加入到送粉設備中，採用雷射熔融沉積工藝將其在雷射的高溫下燒結為金屬液，然後通過逐層疊加的方式，得到以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料。其中，送粉設備的粉末輸出方式為同軸送粉；雷射熔融沉積工藝為：雷射功率4-6kW，掃描速率0.8-1.2m/min，送粉率700-1000g/h，掃描層厚為0.06-0.08mm。
本發明所得以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料經三個實施例的摩擦實驗，結果表明其在摩擦磨損過程中體現出優良的摩擦學性能，摩擦係數較小(平均值約0.23-0.27)，且波動幅度較小，磨損率為2.8-3.3×10-5mm3/(Nm)。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、本發明所述的Ni3Al基自潤滑材料採用含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末為原料，石墨烯和Ti3SiC2原位複合在Ni3Al基體中，所得的Ni3Al基自潤滑材料性能優良，純度高，能有效降低材料在滑動過程中的摩擦係數和磨損率，具有穩定優良的摩擦學性能。
2、本發明採用雷射熔融沉積的方法製備Ni3Al基自潤滑材料，製備周期較短，後續加工簡便，從而提高了製備效率，節約能源，有效地降低了製造自潤滑材料的成本。
3、本發明製備方法簡單新穎，製備過程中工藝參數容易控制且可行性高；本發明所需原材料價格適中，來源廣泛，製備含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末所需設備成本較低，製備工藝簡便易操作，節能環保，適合規模化廣泛應用。
附圖說明
圖1是本發明的製備工藝流程圖。
圖2是本發明實施例1所製備的含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末的掃描電鏡照片，放大倍數為1000倍。
圖3是本發明實施例2製得的以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料在摩擦磨損實驗後得到的磨痕的電子探針照片。
圖4為室溫條件下，測試本發明實施例1、2、3所製得的一種以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料的摩擦係數曲線，測試條件為：載荷10N、滑動速度0.3m/s、時間50min、摩擦半徑5mm。
圖5為室溫條件下，測試本發明實施例1、2、3所製得的一種以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料的磨損率測試結果，測試條件為：載荷10N、滑動速度0.3m/s、時間50min、摩擦半徑5mm。
具體實施方式
為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明不僅僅局限於下面的實施例。
下述實施例中，所述的一種以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料由含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末製備而成。本發明提供一種具體製備方法，但是不限定其製備方法，其他方法製備得到的符合本發明所述要求含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末、Ni3Al基自潤滑材料也屬於本發明的保護範圍。
本發明提供含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末的製備方法包括如下步驟：
1)按Ni：Al摩爾比為3：1選取基體粉末Ni粉、Al粉，分別按Ni粉、Al粉總質量的(1.0-1.5)wt.％和(6.0-10.0)wt.％選取石墨烯粉末和Ti3SiC2粉末，並將粉末充分混合；
2)將熔煉室與霧化室抽到預定的真空度後，充入惰性保護氣體，使環境含氧量達到預定值；將步驟1)所得充分混合後的粉末加入高溫熔煉爐中熔化為熔融合金液；
3)啟動霧化轉盤，待霧化器運轉正常後，打開放液閥將步驟2)所得熔融合金液放入霧化轉盤上，使旋轉盤處於高速旋轉狀態；在霧化器中將熔融合金液進行霧化，霧化熔滴在霧化室中冷卻凝固形成球形金屬粉末；
4)將金屬粉末收集於接收罐，待球形金屬粉末充分冷卻至室溫後按粒徑要求進行篩分，即為所需的含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末。
其中，振動混料採用的振動頻率為45-55Hz，振動力為10000-12000N，振蕩時間為30-40分鐘；預定的真空度為<0.08Pa，惰性保護氣體為氮氣，預定的含氧量<100ppm，高溫熔煉爐溫度為1100-1300℃；旋轉盤轉速為40000-50000r/min，熔融合金液流量1.2-2.0kg/min；球形粉末粒徑要求為15-50μm。
由圖2可知：上述製備的含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末為單顆粒的球狀，單顆粒的直徑為15-50μm，符合雷射熔融所需的粉末粒徑要求。
實施例1
一種以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料，以Ni3Al為基體，以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相；其中Ni和Al的摩爾比＝3：1，石墨烯的添加量為Ni3Al質量的1.0wt.％，Ti3SiC2的添加量為Ni3Al質量的6.0wt.％。
如圖1所示，上述以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料由含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末製備而成，製備方法具體包括如下步驟：
1)按Ni：Al的摩爾比＝3：1選取Ni粉0.9千克、Al粉0.1千克，以及石墨烯粉末10克、Ti3SiC2粉末60克；將Ni粉、Al粉和石墨烯粉末、Ti3SiC2粉末混合，得到配料；
2)將上述配料置于振動混料機內幹混，振動混料外罐為鋼罐，內置聚四氟乙烯罐，振動頻率為45Hz，振動力為10000N，振蕩時間為30分鐘；將粉末充分混合後加入溶煉爐中；
3)將熔煉室與霧化室抽至真空度<0.08Pa，充入惰性保護氣體氮氣，使環境含氧量<100ppm；將步驟2)所得充分混合後的粉末加入高溫熔煉爐中熔化為熔融合金液，高溫熔煉爐溫度為1100℃；
4)啟動霧化轉盤，待霧化器運轉正常後，打開放液閥將步驟3)所得熔融合金液放入霧化轉盤上，合金液流量1.2k g/min；使旋轉盤處於高速旋轉狀態，轉速為40000r/min；在霧化器中將熔融合金液進行霧化，霧化熔滴在霧化室中冷卻凝固形成金屬粉末；
5)將金屬粉末收集於接收罐，待粉末充分冷卻至室溫後，按粒徑範圍為15-50μm的要求進行篩分，得到所需的含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末；
6)將步驟5)所得含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末(按預期成品Ni3Al基自潤滑材料重量的3倍稱取)加入雷射熔融沉積設備中，雷射熔融沉積工藝為：雷射功率4.0kW，掃描速率0.8m/min，送粉率700g/h，掃描層厚為0.06mm，經雷射燒結成型，得到以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料。
經過HVS-1000型數顯顯微硬度儀測試，實施例1所製備的以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料，其硬度為6.83GPa，相對密度為99.6％。圖4(a)和5(a)表明：本實施例製備的Ni3Al基自潤滑複合材料的摩擦係數較小(平均值約0.27)，且波動幅度較小，磨損率為3.3×10-5mm3/(Nm)，體現出優良的摩擦學性能。
實施例2
一種以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料，以Ni3Al為基體，以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相；其中Ni和Al的摩爾比＝3：1，石墨烯的添加量為Ni3Al質量的1.25wt.％，Ti3SiC2的添加量為Ni3Al質量的8.0wt.％。
如圖1所示，上述以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料由含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末製備而成，製備方法具體包括如下步驟：
1)按Ni：Al的摩爾比＝3：1選取Ni粉0.9千克、Al粉0.1千克和石墨烯粉末12.5克、Ti3SiC2粉末80克；將Ni粉、Al粉和石墨烯粉末、Ti3SiC2粉末混合，得到配料；
2)將上述配料置于振動混料機內幹混，振動混料外罐為鋼罐，內置聚四氟乙烯罐，振動頻率為50Hz，振動力為11000N，振蕩時間為35分鐘；將粉末充分混合後加入溶煉爐中；
3)將熔煉室與霧化室抽至真空度<0.08Pa，充入惰性保護氣體氮氣，使環境含氧量<100ppm；將步驟2)所得充分混合後的粉末加入高溫熔煉爐中熔化為熔融合金液，高溫熔煉爐溫度為1200℃；
4)啟動霧化轉盤，待霧化器運轉正常後，打開放液閥將熔融合金液放入霧化轉盤上，合金液流量1.6kg/min；使旋轉盤處於高速旋轉狀態，轉速為45000r/min；在霧化器中將熔融合金液進行霧化，霧化熔滴在霧化室中冷卻凝固形成金屬粉末；
5)將金屬粉末收集於接收罐，待粉末充分冷卻至室溫後，按粒徑範圍為15-50μm的要求進行篩分，得到所需的含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末；
6)將步驟5)所得含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末加入雷射熔融沉積設備中，雷射熔融沉積工藝為：雷射功率5.0kW，掃描速率1.0m/min，送粉率850g/h，掃描層厚為0.07mm，經雷射燒結成型，得到一種石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料。
經過HVS-1000型數顯顯微硬度儀測試，實施例2所製備的以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料的硬度為6.96GPa，相對密度為99.5％。由圖3所示的Ni3Al基自潤滑材料在摩擦磨損實驗後得到的磨痕圖可知：磨痕表面光滑平整。圖4(b)和5(b)表明本實施例製備的Ni3Al基自潤滑複合材料的摩擦係數較小(平均值約0.23)，並且波動幅度小，磨損率為2.8×10-5mm3/(Nm)，體現出優良的摩擦學性能。
實施例3
一種以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料，以Ni3Al為基體，以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相；其中Ni和Al的摩爾比＝3：1，石墨烯的添加量為Ni3Al質量的1.5wt.％，Ti3SiC2的添加量為Ni3Al質量的10.0wt.％。
如圖1所示，上述以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料由含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末製備而成，製備方法具體包括如下步驟：
1)按Ni：Al的摩爾比＝3：1選取Ni粉0.9千克、Al粉0.1千克和石墨烯粉末15克、Ti3SiC2粉末100克；將Ni粉、Al粉和石墨烯粉末、Ti3SiC2粉末混合，得到配料；
2)將上述配料置于振動混料機內幹混，振動混料外罐為鋼罐，內置聚四氟乙烯罐，振動頻率為55Hz，振動力為12000N，振蕩時間為40分鐘；將粉末充分混合後加入溶煉爐中；
3)將熔煉室與霧化室抽至真空度<0.08Pa，充入惰性保護氣體氮氣，使環境含氧量<100ppm；將充分混合後的粉末加入高溫熔煉爐中熔化為熔融合金液，高溫熔煉爐溫度為1300℃；
4)啟動霧化轉盤，待霧化器運轉正常後，打開放液閥將熔融合金液放入霧化轉盤上，合金液流量2.0kg/min；使旋轉盤處於高速旋轉狀態，轉速為50000r/min；在霧化器中將熔融合金液進行霧化，霧化熔滴在霧化室中冷卻凝固形成金屬粉末；
5)將金屬粉末收集於接收罐，待粉末充分冷卻至室溫後，按粒徑範圍為15-50μm的要求進行篩分，得到所需的含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末；
6)將步驟5)所得含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末加入雷射熔融沉積設備中，雷射熔融沉積工藝為：雷射功率6.0kW，掃描速率1.2m/min，送粉率1000g/h，掃描層厚為0.08mm，經雷射燒結成型得到一種以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料。
經過HVS-1000型數顯顯微硬度儀測試，實施例3所製備的以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料的硬度為6.92GPa，相對密度為99.4％。圖4(c)是室溫條件下，測試本發明實施例3所製得以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料的摩擦係數曲線，可知該自潤滑複合材料的摩擦係數較小(平均值約0.26)，且波動幅度小。圖5(c)表明實施例3製備出的Ni3Al基自潤滑材料的磨損率為3.1×10-5mm3/(Nm)。可知本實施例製備的以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑複合材料表現出了優良的摩擦學性能。
根據上述三個實施例的實驗結果，表明本發明所得以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料在摩擦磨損過程中體現出優良的摩擦學性能，摩擦係數較小(平均值約0.23-0.27)，且波動幅度較小，磨損率為2.8-3.3×10-5mm3/(Nm)。
綜上所述，本發明按添加比例選取石墨烯和Ti3SiC2粉末加入到基體粉末Ni粉和Al粉中，採用振動混料、高溫熔融、旋轉盤離心霧化的工藝技術，製備出一種具備單顆粒結構的含石墨烯和Ti3SiC2的Ni3Al基球形粉末材料；然後採用雷射熔融沉積的方法製備出以石墨烯和Ti3SiC2作為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料。本發明所得以石墨烯和Ti3SiC2為潤滑相和增強相的Ni3Al基自潤滑材料，其純度高、緻密性好，具有優良的摩擦學性能，在摩擦磨損過程中的摩擦係數和磨損率較低；而且製備過程中所涉及的步驟方法簡單便捷，適用於規模化批量生產。
本發明所列舉的各原料都能實現本發明，以及各原料的上下限取值、區間值都能實現本發明，本發明的工藝參數(如溫度、轉速、雷射功率、送粉率等)的上下限取值以及區間值都能實現本發明，在此不一一列舉實施例。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，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，還可以做出若干改進和變換，這些都屬於本發明的保護範圍。