（材料加工工程专业论文）tial基耐磨复合材料的制备与性能研究.pdf

p e r t i e so f - - b a s e da l l o y s at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：驻 日 期：坌? ! ! ! 乡：翌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 杂文作者签名：扯导师签名：他日期： 1 4 研究的目的、意义及主要内容8 第二章实验方法9 2 1 技术路线9 2 2 试验设备与测试设备1 0 2 2 1 试验设备1 0 2 2 2 测试分析设备1 0 2 3 实验原料1 1 2 3 1 原料1 1 2 3 2 铝粉1 1 2 3 3 钛粉1 2 2 3 4 铝锭1 2 2 4 材料性能测试1 2 2 4 1 断裂韧性测试1 2 2 4 2 弯曲强度测试1 3 2 4 3 抗压强度的测试1 4 2 4 4 摩擦磨损性能测试1 4 第三章t i m 合金的制备与表征1 5 3 1 材料成分设计1 5 3 2t i a i 合金粉体的机械球磨及其分析1 5 3 2 1 试验原料的机械球磨1 5 3 2 2 球磨时间对t i a i 金属问化合物形成能力的影响1 6 t i a i 基耐磨复合材料的制备与性能研究 3 3 试样的退火处理及其分析1 9 3 3 1 试样的退火处理1 9 3 3 2 退火温度对t i a l 金属间化合物形成能力的影响2 0 3 3 3 退火后t i m 粉体粒径的变化2 5 3 4t i a l 合金成形制备工艺2 8 3 4 1 冷压成形2 8 3 4 2 热压处理及后续工作2 9 3 5 本章小结3 l 第四章t i a l 自润滑材料的性能及金相组织3 3 4 1 洛氏硬度3 3 4 2 金相组织3 5 4 2 1t i a l 合金基体金相组织3 5 4 2 2 以c a f ：为固体润滑剂的t a s 材料金相组织3 6 4 2 3 以c a f 。+ b a f 。为固体润滑剂的t a s 材料金相组织3 8 4 2 4 以石墨为固体润滑剂t a s 材料金相组织4 0 4 3 相结构4 3 4 4 本章小结4 6 第五章t a s 材料的摩擦磨损性能4 7 5 1 添加c a f 。+ b a f ：的t a s 材料摩擦磨损性能4 7 5 2t a s 材料润滑机理4 9 5 3 摩擦磨损模型的建立5 1 5 4 本章小结5 4 第六章结论与展望5 5 参考文献5 7 致谢6 1 附录6 2 i i 济南大学硕十学位论文 摘要 随着航空航天技术的飞速发展，高温高速运动的摩擦磨损及润滑问题已受到越来 越广泛的关注。金属基复合材料以其优良的耐高温、耐磨损、导电导热性好、不吸湿、 不放气、尺寸稳定、不老化等特点，在航空航天、汽车制造等诸多领域具有重要地位。 铝基复合材料具有比强度、比模量高的优点，在保证强度指标的同时可以减轻零部件 重量，这在航空航天及汽车制造领域是很有吸引力的。 本文通过机械合金化和退火处理制备t i a l 金属间化合物超细粉体，采用真空热压 炉烧结工艺和固体润滑剂制备出t i a i 基耐磨复合材料( 简称为t a s 材料) ，探讨复合 材料的弯曲强度、断裂韧性、摩擦磨损性能，为t i a i 基复合材料的开发和利用提供理 论依据。本文对t i a i 基耐磨复合材料的制备工艺、微观结构、力学性能进行了系统研 究。 通过机械合金化及退火工艺制备了t i a i 金属间化合物粉体。t i 、a l 、c r 、n b 粉 体在机械合金化过程中形成无序化合物。研究了不同机械球磨时间对t i a i 金属间化合 物组织性能的影响，粉体的粒度随球磨时间的增加而减少，球磨至3 0h ，出现粒度均 匀而圆度较高的纳米级颗粒。研究了不同退火温度对t i a i 金属间化合物组织性能的影 响。球磨3 0 h 试样1 2 5 0 退火后t i a i 金属间化合物含量可望达到和超过9 5 。 论文以t i a i 合金为基体，研究了不同固体润滑剂对耐磨复合材料性能的影响， 从而选定固体润滑剂。添加c a f 2 + b a f 2 的t a s 材料的洛氏硬度最好，最高值可达 7 5 6 ，最差为添加了石墨的t a s 材料。从形貌来说，添加了c a f 2 + b a f 2 的t a s 材料 颗粒排列更紧密一些。以氟化物作为固体润滑剂是比较稳定的，t a s 材料基体元素 未与其发生反应。 研究了固体润滑剂添加量对t a s 材料性能的影响。随着固体润滑剂添加量的增 多，t a s 材料的硬度值逐渐减小。由于c a f 2 + b a f 2 的软化作用，使t a s 材料的摩擦系 数随着混合物添加量的增加而逐渐减小，并在添加量为1 5 时出现最低值0 3 8 6 ；又随 着c a f 2 和b a f 2 含量的增加，材料的粘着磨损减少，但超过一定量时，材料的磨损率增 大。在添加量为1 5 时又出现磨损率的最低值1 0 1 3 5 x 1 0 4 9 m i n 。 综合固体润滑剂与基体的体积分数因素、固体润滑剂与基体的力学性能因素以及 各工作条件因素，建立了符合t i a l 基复合材料的磨损机理模型。 1 1 1 t i a i 莘耐磨复含材料的制备与件能研究 关键词：t i a l 合金；高温自润滑；力学性能；摩擦磨损 i v 济南大学硕 ：学位论文 a bs t r a c t n o wd a y s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa e r o s p a c et e c h n o l o g y , t h el u b r i c a t i o n p r o b l e mo fh i g h t e m p e r a t u r e a n dh i g h - - s p e e dm o v e m e n th a sb e e nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n m e t a lm a t r i xc o m p o s i t em a t e r i a l sw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，s u c ha sh i 曲 t e m p e r a t u r er e s i s t a n c e ，a b r a s i o n ，g o o dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , n om o i s t u r ea b s o r p t i o n ， t i g h t l yg a s ，d i m e n s i o n a l l ys t a b l e ，n o n a g i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n ds oo n ，p l a ya ni m p o r t a n t r o l ei nt h ea e r o s p a c e ，a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g m a t r i xc o m p o s i t e sh a v et h ea d v a n t a g e s o fs p e c i f i cs t r e n g t ha n dh i g hm o d u l u s s oi tn o to n l ye n s u r e st h ei n t e n s i t yt a r g e t s ，b u t a l s oc a nr e d u c et h ew e i g h to fc o m p o n e n t s ，w h i c hi sv e r ya t t r a c t i v ei nt h ef i e l do f a e r o s p a c ea n da u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g t h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n df i n ep o w d e r st i a lw e r ep r e p a r e db ym e c h a n i c a l a l l o y i n ga n da n n e a l i n g t i a i - b a s e dc o m p o s i t ef r i c t i o nm a t e r i a l ( t a sm a t e r i a l ) w a s p r e p a r e db yv a c u u mh o t - p r e s s i n gf u r n a c es i n t e r i n gp r o c e s sa n ds o l i dl u b r i c a n t t h e b e n d i n gs t r e n g t h ，f r a c t u r et o u g h n e s s ，a n df r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e m a t e r i a l sw e r ed i s c u s s e d ，w h i c hp r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n a n dt h ep r e p a r a t i o np r o c e s s ，m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h e c o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h ei n t e r m e t a l l i cc o m p o u n df i n ep o w d e r st i a lw e r ep r e p a r e db yu s i n gm e c h a n i c a l a l l o y i n ga n da n n e a l i n g i nt h i sp r o c e s s ，t i ，a i ，c r , a n dn bp o w d e r sf o r m e dd i s o r d e r e d s o l i ds o l u t i o n t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tm e c h a n i c a lm i l l i n gt i m eo nt h es t r u c t u r eo ft i a l i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d sw e r es t u d i e d t h er e s u l tw a st h a tt h ep a r t i c l e ss i z ed e c r e a s e d w i t ht h em i l l i n gt i m e u n i f o r ms i z ea n dr o u n dn a n o p a t i c l e sc a nb eo b t a i n e dw h e ni tw a s m i l l e dt o3 0 h t h ee f f e c to fd i f f e r e n ta n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt i a lw a si n v e s t i g a t e d a n dt h ec o n t e n to ft i a ii n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dc o n t e n tw a se x p e c t e dt or e a c h9 5 w h e nt h es a m p l e sw a sm i l l e df o r3 0 ha n da n n e a l e da t12 5 0 ( 2 t h et i a la l l o yw a st a k e na ss u b s t r a t e t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts o l i dl u b r i c a n t sf o r f r i c t i o np r o p e r t i e so fc o m p o s i t em a t e r i a lw a ss t u d i e da n dt h e s o l i dl u b r i c a n t sw e r e s e l e c t e d t h eh a r d n e s so ft h em a t e r i a lt h a tw a sa d d e dc a f 2 + b a f 2w a sb e s t t h e m a x i m u mv a l u ec a nr e a c h7 5 6 ，a n dt h ew o r s tw a st h et a sm a t e r i a l st h a tw e r ea d d e d v t i a i 基耐磨复合材料的制备与性能研究 g r a p h i t e f r o mt h em o r p h o l o g yw ec o u l ds e et h a tt h ep a r t i c l eo ft h et a sm a t e r i a l st h a t w a sa d d e d c a f 2 + b a f 2w a sc l o s e r u s i n gf l u o r i d ea ss o l i dl u b r i c a n t sw a sr e l a t i v e l ys t a b l e ， b e c a u s et h em a t r i xe l e m e n t so ft a sm a t e r i a ld i dn o tr e a c tw i t hi t t h ei n f l u e n c eo ft h ea m o u n to fas o l i dl u b r i c a n tt ot h ep r o p e r t i e so ft a sm a t e r i a l w a sr e s e a r c h e d w i t l lt h ei n c r e a s eo f a d d i n gs o l i dl u b r i c a n t s ，t h ev a l u eo fh a r d n e s so ft h e t a sm a t e r i a ld e c r e a s e dg r a d u a l l y b e c a u s eo ft h es o f t e n i n ge f f e c to fc a f 2 + b a f 2 ，t h e c o e f f i c i e n to ff r i c t i o no ft h et a sm a t e r i a lr e d u c e dg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s eo fa d d i n g m i x t u r e ，a n dt h em i n i m u mv a l u eo ft h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o nw a s0 38 6 ，w h i c ho c c u r r e d w h e nt h eq u a n t i t yo fa d d i n gw a s15 ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec o n t e n to f c a f 2a n db a f 2 ， t h es t i c k yw e a ro ft h em a t e r i a lw a sr e d u c e d b u tt h ew e a rr a t eo ft h em a t e r i a li n c r e a s e d w h e ni tw a sm o r et h a nac e r t a i n q u a n t i t y t h el o w e s tv a l u eo fw e a l r a t ew a s 1 013 5x10 - 4 9 m i n ，w h i c ha p p e a r e dw h e nt h ea d d i n gw a s15 t h es o l i dl u b r i c a n t s ，t h ev o l u m ef r a c t i o nf a c t o r so fm a t r i x ，s o l i dl u b r i c a n t s ，t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sf a c t o r so fm a t r i x ，a n dt h ew o r k i n gc o n d i t i o n sf a c t o r sw e r e i n t e g r a t e d e v e n t u a l l y , t h ew e a rm e c h a n i s mm o d e lo f t i a lc o m p o s i t ew a se s t a b l i s h e d k e y w o r d ：t i a la l l o y ；s e l f - l u b r i c a t i n gi n h i g ht e m p e r a t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； 济南人学硕十学位论文 第一章绪论弟一早三；酉下匕 1 1 研究背景 随着航空航天技术的飞速发展，高温高速运动的摩擦磨损及润滑问题已受到越 来越广泛的关注。金属基复合材料以其优良的耐高温、耐磨损、导电导热性好、不 吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等特点，在航空航天、汽车制造等诸多领域具有 重要地位。目前己发展的有铝基、镁基、钛基、高温合金基、铜基等多种材料，其 中以铝基发展最快，并成为当前金属基复合材料发展和研究工作的主流。传统的液 态润滑方式，如润滑油和润滑脂等，已不能满足现代工业发展的要求，如高温冶金、 高温化工机械、真空轴承、风冷发动机、导电性滑板等领域。主要是因为：高温条 件下添加剂很难与材料表面发生作用而形成接触充分的边界膜；随温度升高，润滑 剂粘性呈指数下降，承载能力下降；高温环境下液态润滑性能衰减；有时会造成不 同程度的环境污染等问题i l j ，所以，作为润滑领域的一类新材料一固体自润滑材料， 己成为摩擦学历的一个重要研究领域。 铝基复合材料具有比强度、比模量高的优点，保证强度指标的同时可以减轻零 部件重量，这在航空航天及汽车制造领域是很有吸引力的。纤维增强铝基复合材料 己被用于制造航天飞机的机身框架、哈勃望远镜的长方形天线支架、发动机活塞【2 j 等等。非连续增强铝基复合材料在汽车、电子器件、精密仪器、体育用品等方而都 有成功的应用【3 训。自润滑材料可分为以下三种：金属基自润滑材料、非金属基自 润滑材料及陶瓷基自润滑材料。金属基自润滑材料兼有基体金属的特性和固体润滑 剂的摩擦学特性，适应在各种不同的大气环境、化学环境、电气环境及高温真空等 特殊环境的条件下使用，已有不少研究证实，在金属基体中加入固体润滑剂可以提 高材料的耐磨损性能【5 - 刀。 金属间化合物以其低密度、高强度以及良好的耐热性能，成为近年来结构材料 研究中十分活跃的领域。t i a i 系金属间化合物以其密度低、强度高，在高温仍可保 持高强度和刚度，抗氧化性好等特点，被认为是航空发动机及汽车中理想的轻质结 构件材料，成为近年来人们研究开发的热点，是理想的高温结构材料。 1 2t i a l 合金研究概述 t i a i 合金经过几十年的研究，以其低密度、高模量、优异的高温强度、抗蠕变、 抗氧化和阻燃性能而被公认为最具有发展潜力的高温结构材料，是航空用发动机及 1 t i a i 幕耐磨复合材料的制备与十牛能研究 汽车中理想的轻质结构件材料，提高发动机的工作温度和减轻高温结构材料的质量 是航空、航天、汽车工业的发展的必由之路【8 - 1 0 1 。 据美国m c a n d r e w1 9 5 6 年报道，在9 5 0 时t i a l 合金具有良好的抗氧化和抗蠕变 能力。7 0 年代初，美国p r a t ta n dw h i m e g 公司和w r i g h t p a t t e r s o n 空军基地航空航天材 料研究室几乎同时立项，对t i a l 合金的各种微观结构、力学性能及制备技术进行了 研究。与此同时，前苏联也开始报导他们的一些研究成果【l l l 。1 9 8 4 年，美国国家材 料咨询局( n m a b ) f 司美国政府递交了一份长达1 0 9 页的报掣1 2 j ，详细阐述了t i a l 合金 的性质、研究现状及国防应用潜力。该报告公布后，引起了世界各国的普遍关注。 美国能源部、宇航局及许多大公司对t i a i 合金的研究给予了大力资助和支持。与此 同时，日本金属学会也开始了对t i a l 合金的联合开发。其它一些主要工业国家也相 继加强了对t i a i 合金的研究工作。1 9 8 8 年，我国将t i a i 合金的研究列入了国家8 6 3 高新技术发展计划。19 9 3 年在扬州召开的航空航天材料研讨会上，已有数十篇有关 t i a l 合金的研究论文发表。1 9 9 7 年底，用单相t i a i 合金制成的涡轮机叶轮复盖盘和 空气密封圈得到了工程论证。 在t i a i 合金的开发应用方面，美国已试制了一些喷气式发动机的零件，如叶轮 片、密封支架、隔板和框架等。新一代航天飞机( x 3 0 ) p , 将t i a l 作为发动机蒙皮、 支架和部件的候选材料。美国国家航空航天局( n a s a ) 要建造一个超音速单机轨道 运输飞行器，t i a i 合金是其中的重要材料l l 引。据预测，y t i a l 未来将应用于高速飞 行运输机( h s c t ) 、单级入轨( s s t o ) 太空船( r l v ) ，7 t i a l 板材在热结构及热保护系 统中的应用已纳入未来欧洲航空运输研究计划( f e s t i p ) 。 在汽车用材上的应用t i a i 合金也引起人们的关注。y t i a l 排气阀已成功通过了苛 刻的长周期发动机试验【1 4 1 。1 9 9 7 年底，用单相t i a l 合金制成的涡轮机叶轮复盖盘和 空气密封圈得到了工程论证【”j 。 t i a i 基合金目前所面临的问题是如何通过控制合金成分和显微组织改善其综 合力学性能，以及如何以比较简单的工艺途径实现这一目标。目前的研究及开发动 向为： ( 1 ) 基础理论研究。广泛测定t i a l ，x 系相图，寻找新的合金元素，确定合金的最 优成分与组织，以全面提高t i a i 合金的综合性能；深入研究合金的塑性变形机理， 掌握t i a i 金属间化合物的超塑性变形机制，并寻求其实际应用途径；发展一套关于 t i a l 合金的系统的成分组织一性能的理论体系。 2 济南大学硕十学位论文 ( 2 ) 开发制备与加工的新工艺。开发无污染熔炼、制粉工艺，降低氧、氮等杂 质元素的有害作用；研究t i a l 合金领域热等静压的条件、方式对压块的影响；确定 合理的热处理工艺参数，改善合金微观组织，解决其室温脆性问题；利用冲击波、电、 磁等手段解决成形问题。 ( 3 ) 采用复合材料的方式，并采用微量元素合金化制备t i a l 基复合材料的研制。 寻找新的高质、价廉的共容增强颗粒，解决与t i a i 基体间的相容性问题；加强t i m 基复合材料的优化设计，开发新的复合材料制备技术，为t i a i 合金的广泛应用开拓 更广阔的前景。 1 2 1t i a l 合金的分类及性能特点 t i a i 合金分为3 种，即t i 3 a 1 、t i a i 和t i a l 3 。其中t i 3 a i 的抗高温氧化性能较差， 使用温度较低( 墨6 5 0 ) 【1 6 】；t i a l 3 的抗高温氧化性能最好，密度最低，但由于室温延 性差，固溶范围太窄，难以机械加工。具有丫相结构的t i a l 基合金是综合性能最好 的高温轻质合金。为了提高航天航空器的工作效率，节约燃料和增加推力，需要减 轻自重和提高其工作温度，这就要求材料具有良好的抗高温氧化和抗蠕变性能，并 且具有足够大的比模量、比刚度和比强度。而t i a l 基合金较t i 3 a l 及t i 合金有明显的 高温性能，使用温度可提高至7 5 肛9 0 0 ，与n i 基高温合金相似；但密度仅为n i 高 温合金的一半，因而是n i 基合金的替代材料，可广泛应用于汽车或航空发动机的高 温部件如涡轮盘、叶片和气门阀等。t i a l 基合金的主要应用优势在于： ( 1 ) t i a i 基合金较之航空发动机及其他常用结构材料的比刚性高约5 0 。高刚性 有利于要求低间隙的部件如箱体、构件以及支撑件等，同时可以将噪声震动移至较 高频率而提高叶片等部件的寿命； ( 2 ) t i a i 基合金6 0 0 , - - 7 5 0 c 的良好抗蠕变性能，使其可能替换n i 基高温合金部件 ( 重量减轻一半) ； ( 3 ) t i a i 基合金具有良好的阻燃能力可替换一些昂贵的阻燃设计t i 合金。t i a i 基合金部件的缺点是其较低的抗损坏能力，其较低的室温塑性、断裂韧性和高裂纹 扩展速率增加了失效的可能性。 1 2 2t i a i 合金的制备 t i a i 合金的制备方法主要分为：铸造、铸锭冶金技术( 锻造、挤压、轧制、板 材成型等) 及粉末冶金技术( 模压、挤压、烧结) 两大类。 t i a i 幕耐磨复合村半 的制备与性能研究 曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼舅! ! 曼! 曼曼曼皇曼曼! 曼曼! 曼! ! 曼曼曼! ! il 曼曼曼曼曼! 曼烹曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼舅鼍! 曼! 曼曼舅曼曼曼皇置皇曼曼曼皇蔓曼 ( 1 ) 铸锭冶金技术 t i a l 合金可采用常规钛合金熔炼工艺生产，如高频感应炉及真空凝壳炉熔炼， 真空白耗电弧炉、非自耗钨电极氩弧熔炼等。目前，电子束熔炼法、等离子弧熔炼 法和双电极氩弧熔炼法己应用于t i a i 合金生产。在采用真空自耗熔炼工艺熔铸大直 径t i a l 合金铸锭时，由于熔炼炉温度分布不均，导致热应力增加，使得合金产生裂 纹、缩孔。目前采用高能输入熔化电极将热量全部引入金属中，可使热裂倾向减小 到最小程度【1 7 】。t i a l 合金铸锭开坯一般采用包套挤压、包套叠轧和等温锻造三种途 径。采用这些方法前需经热等静压处理。t i a i 合金经锻造后，塑性将增大很多，并 且球化了某片层状组织i l s 】，优化了显微结构。采用包套锻造技术代替费用很高的等 温锻造，可得到均匀、细小的显微组织及良好的锻坯表观质型1 9 1 。 ( 2 ) 粉末冶金技术 粉末冶金技术的采用首先要制备粒度、性能及纯度符合要求的t i a l 粉末，然后 再通过模压、烧结、挤压等手段成型。目前制取粉末的方法很多，其主要制备工艺 分为：自蔓延高温合成技术( s h s ) 和渗透燃烧合成法。 t i a i 合金的s h s 反应分为两个阶段：( 1 ) 固相的铝与钛之间的反应，主要形成 t i 3 a i 相；( 2 ) 固相钛和液相铝之间的反应，反应的燃烧温度和预加热温度均高于第 一阶段。该反应形成了t i a l 相和少量的t i 3 a i 相，且形成t i 3 a l 被t i a l 包复的夹心组织， 第一阶段形成的t i 3 a l 消失。钛粉的粒度、压力及加热速度与t i a l 合金的形成密切相 关。在3 0 0 m p a 压力下进行t i a l 的s h s 反应，可以提高反应产物的致密度，但仍发现 有很多的夹- t 3 组织。如果在石墨模和试样之间加上一层隔热层( s i 0 2 粉末) ，夹，t 3 结构即消失，反应产物的密度也将提高到理论密度的9 9 以上。 从原料粉末来分，制备t i a l 合金采用粉末冶金方法一般分为两大类：元素粉末 法和预合金粉末法。预合金粉末法的力学性能、成分均匀性好，杂质及氧含量低， 但预合金粉末法价格昂贵。元素粉末法是采用其他合金化元素粉末( p l n b 、c r 、 m o ) 和元素t i 、a l 粉末，通过预压成型，在高温下反应合成并致密化，制备相应 的材料。这种方法的主要优点是成本低，易于添加各种高熔点合金化元素，通过高 温反应和均匀混合，避免成分偏析，但是杂质含量也要控制。比较上述两种方法， 元素粉末法更适合于轴承的生产，可以降低成本，满足大批量生产的要求。但由于 元素粉末到最后的成品，容易产生杂质元素污染和氧化夹杂现象，对材料的延伸性 4 济南人学硕十学位论文 曼1 1_i 曼曼曼! 曼舅曼曼曼曼! 曼! ! 曼! ! 曼曼! 曼! 曼曼曼! 曼! ! 曼曼皇! 曼! ! 曼! 曼! ! 曼! ! ! 曼! 曼蔓曼蔓! ! 蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼蔓曼皇曼! 曼! 曼皇! 曼曼曼 产生不利的影响，所以必须尽量避免杂质和氧化问题。西北有色金属研究院开发的 制取t i a l 合金粉末的新工艺一烧结合成法【2 0 1 ，不需要经过熔炼过程，可以直接合成 粉末。粉末的成分均匀，性能优异，氧含量低( o 1 3 - - 0 1 5 ) ，粉末形状复杂，成棉 絮状，成形性好，是无包套热等静压成型坯料的良好原料。 1 3 自润滑材料的分类及特性 金属基自润滑材料中的固体润滑剂是以一种结构组元加入到复合材料之中的， 固体润滑剂的加入可以改善材料的减摩性能，同时又影响到材料的物理和力学性 能。根据润滑剂的性质，它们可以以粉末的形式添加到原始混料中，或者烧结后添 加到材料的孔隙中，根据加入的方法不同，润滑剂可以在材料制备过程中，在烧结 时与材料基体相互作用，部分或完全转化成新态。固体润滑剂现有约10 0 0 多种【2 l 】， 其润滑机理不尽相同。 ( 1 ) 软金属类固体润滑剂 许多软金属，如铅、锡、锌、铟、金、银等，在辐射、真空、高低温和重载等 条件下具有良好的润滑效果，可以充当固体润滑剂。通常，将软金属粉末制成合金 材料，或用电镀等方法将其涂镀于摩擦表面，形成固体润滑膜。如宇宙飞船上的太 阳能集流环，仅镀上一层0 6 l m 厚的银膜，就能可靠地工作【2 2 1 。 软金属固体润滑材料作为固体润滑剂是基于它的剪切强度低，能够发生晶间滑 移。具有一定强度和韧性的软金属，一旦粘着于基材表面，便能牢固地粘结在一起， 发挥它优异的减磨和润滑作用。 ( 2 ) 金属化合物类固体润滑剂 可作固体润滑剂的金属化合物较多，包括金属的氧化物、卤化物、硫化物、硒 化物、硼酸盐、硫酸盐和有机酸盐等。 二氧化铅、四氧化三铅、氧化锑、三氧化二铬、二氧化钛、二氧化锆、氧化亚 铁、三氧化二铁、四氧化三铁、氧化铝等金属氧化物都具有润滑性能，特别在高温 下使用，其润滑效果更好。 金属卤化物有氟化钙、氟化钡、氟化锂、氟化铈、氟化镧、氟化硼；氯化镉、 氯化钴、氯化铬、氯化镍、氯化铁、氯化硼；溴化铜；碘化钙、碘化铅、碘化镉、 碘化银、碘化汞等。 金属硫化物有二硫化钼、二硫化钨、硫化铅等。 金属硒化物有二硒化钨、二硒化钼、二硒化铌等。 5 t i a i 基耐磨复合材料的制备与件能研究 金属硼酸盐有硼酸钾等。 有机磷酸盐如二烷基二硫代磷酸盐等。 金属硫酸盐有硫酸银、硫酸锂等。 金属有机酸盐指各种金属脂肪酸皂，如钙皂、钠皂、镁皂、铅皂等，都有较好 的润滑性能。 ( 3 ) 无机类固体润滑剂 无机物类固体润滑剂有石墨、氟化石墨等具有层状晶体结构，剪切强度很小。 与摩擦表面接触后有较强的粘着力，能防止对偶材料直接接触。玻璃在一定的温度 和压力条件下成熔融状态，可隔离摩擦表面，在高温下有良好的润滑作用。滑石、 云母、氮化硅等虽然润滑性能较差，但电绝缘性能好，能在高温和特殊工况下充当 固体润滑剂以及润滑填料。氮化硼为六方晶体，具有与石墨一样的层状结构和类似 的性质，可以用于高温和绝缘性隔热润滑材料2 3 1 。 ( 4 ) 有机类固体润滑剂 各种高分子材料如蜡( 石蜡、地蜡、蜂蜡等) 、固体脂肪酸、固体脂肪醇、联苯、 颜料和涂料( 如阴丹士林、酞菁等) 可以充当固体润滑剂。 能够在混入预混合粉中，压制成形后，经受得住高的烧结温度而不丧失润滑者 不多。石墨、m o s 2 是目前广泛使用的固体润滑材料，其摩擦系数与温度的关系如 图1 1 所示，石墨在大气下6 4 0 。c 可短期使用，在5 2 6 c 可长期使用，而m o s 2 在大气 压下3 9 9 可短期使用，在3 4 9 。c 可长期使用，在高温真空条件下，m o s 2 表现出优 掇 喵 舞 鲞 基j 茔， 图石墨与m o s 2 的摩擦系数一温度的关系 f i g1 1f r i c t i o nc o e f f i c i e n t t e m p e r a t u r eo fg r a p h i t ea n dm o s 2 异的润滑性能。石墨在干燥气氛中或在真空中会逐渐丧失润滑能力，而在成份中加 入m o s 2 可以使材料在4 0 0 c 以上的真空或干燥气体中工作2 4 1 。 6 济南大学硕十学位论文 复合材料中加入硫或硫化物时，材料的性能将取决于其与基体相互作用的性质 和程度。在烧结加热时，将会伴随着硫化物的全部或部分分解，结果是硫和基体的 金属骨架相互作用，因此防止硫化物性能变化将会大大改善材料的最终性能。w a n g 等用热压烧结方法，制备出m o s 2 含量达8 0 的n i m o s 2 自润滑复合材料，并考察了 高温摩擦学特性2 5 1 。研究发现2 6 1 ，一些硫化物可以提高m o s 2 在金属底材上的成 膜能力和抑铝u m o s 2 的氧化过程。金属硒化物和碲化物的性能与硫化物相似，在真 空和空气中摩擦系数与温度的关系【2 。7 】如图1 2 所示。在真空中摩擦系数比在气体介 质中低，它们的热稳定性，根据成份不同可达4 0 0 13 5 0 。氮化硼( b n ) 具有分层 结构的六方晶系，与石墨及m o s 2 类似，但其与石墨及m o s 2 相比，具有极好的热稳 定性，在9 0 0 左右性能仍然稳定，表现出良好的润滑性能。 图1 2 硒化物和碲化物在空气( a ) 和真空中( b ) 的摩擦系数温度的关系 f i g1 2f r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e ni na i r ( a ) a n di nv a c u o ( b ) w o r k i n gi nt h ev a c u u mt e m p e r a t u r e 金属氧化物基固体润滑剂，在高温领域中占有非常重要的位置。p e t e r s o n 曾研 究了4 0 多种氧化物及其润滑性。其中p b o 是润滑性能最好的一种润滑剂，p b o 在常 温下的摩擦系数较大，但随温度上升而减小，4 0 0 以上显示比m o s 2 好的润滑性。 p b o 从3 7 0 到4 8 0 氧化成p b 3 0 4 ，使摩擦系数提高，但到4 8 0 以上又变回至u p b o ， 因而p b o 连续显示良好润滑性能的温度范围是4 8 0 8 5 0 。研究发现，z n o 的有效 工作温度可达1 0 0 0 ，c u 2 0 的使用温度达5 4 0 c 。含有金属氧化物( ：受f l n i ，s n ，c u ，p b ，z n 等的氧化物) 添加剂制造的高温滑动轴承，具有高的耐磨性和润滑能力。提出用金 t i a l 基耐磨复合材料的制备卜j 忭能研究 属( f e ，c u ，n i ，m o ) 军l ：l 氧化物m g o ，m 0 0 3 ( 3 - 5 0 ) 基材料作高温条件下的活动关节 和轴承，这种材料有低的摩擦系数( 在高于5 0 0 。c 的温度条件下为0 1 ) 。复合氧化物 固体润滑材料在高温领域具有相当大的潜力。 目前，新型高温固体润滑剂的开发和研究，仍是高温摩擦学的重要研究方向。 p e t e r s o n 研究表明【2 引，某些钼酸盐可在5 3 8 c 以上起润滑作用。高洪光【2 9 】制备了新 型固体润滑剂硫代硫钼酸盐( m m 0 0 2 s 2 ) ，其中m = z n ，n i ，c o ，n h 4 ，高温磨损 实验表明，从室温至7 0 0 。c 高温，其具有明显的减摩效果，在1 0 0 。c 3 0 0 c 的摩擦系 数为0 1 5 左右，高于4 0 0 时约为0 2 5 。 氟化物具有高的化学和热稳定性，在7 b u ) u 复合材料中仍保持着自己的原始性 能。研究表明【3 0 1 ，c a f 2 和b a f 2 在5 0 0 c 开始具有润滑特性，在高温下它们具有相当 高的抗氧化能力，可以使用至9 0 0 。c 仍不发生氧化失效。含氟化物( c a f 2 或b a f 2 ) 的 材料，可以保证在无润滑、高载、高温( 5 0 0 ) 下工作。 1 4 研究的目的、意义及主要内容 本课题选用t i a l 为基体，以高温自润滑抗磨材料为目的，探索高温自润滑 t i a i 合金的组分设计、制备工艺、相结构形态和摩擦学性能研究，开发出高温自 润滑抗磨材料，降低摩擦磨损，有效提高润滑能力，从而可以有效提高耐磨材料 的使用寿命，降低材料的生产成本，具有广阔的市场前景。 主要研究内容： ( 1 ) 采用机械合金化和退火处理方法研究制备t i a l 合金超细粉体，研究其微 观组织性能，研究球磨时间及退火温度对t i a i 形成能力的影响。 ( 2 ) 采用真空热压烧结技术制备出不同润滑剂的自润滑材料，优化制备工艺 参数。 ( 3 ) 研究添加不同固体润滑剂的自润滑材料形貌特征及材料相组成。研究添 加不同质量分数润滑剂的自润滑材料的力学性能特点。 ( 4 ) t i a i 基耐磨复