（机械制造及其自动化专业论文）二硅化钼的高温摩擦磨损性能及其预测模型研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 金属间化合物m o s i 2 兼具金属和陶瓷双重特性，具有较高的硬度、强度、 弹性模量和优异的导热导电等性能。m o s i 2 目前已广泛应用于发热元件，而其 作为结构材料用于1 0 0 0 以上高温领域已成为研究的热点。国内外学者已对 m o s i 2 的磨擦磨损性能进行了广泛的研究，发现其有很好的耐磨性，但研究主 要集中于其常温磨损特性，尚未涉及到8 0 0 以上高温时的性能。本文试验主 要考察了7 0 0 以上m o s i 2 与a 1 2 0 3 陶瓷对摩时的摩擦磨损性能，为其在高温下 的应用提供依据。 采用高温自蔓延技术合成m o s i 2 粉末，经冷压和高温真空烧结成试样。在 x p 一5 型高温摩擦磨损试验机上，考察了m o s i 2 试样与a 1 2 0 3 陶瓷对摩件在不 同的温度、载荷、转速条件下的摩擦磨损性能。运用带有微探针的扫描电镜观 察了试件的磨损表面形貌，探讨了该材料在不同条件下的高温磨损机理。针对 二硅化铝材料的磨损，利用m a t l a b 神经网络工具箱，以温度、载荷、转速 为影响因子，以磨损率为输出，建立了一个径向基神经网络模型。得出以下研 究结果： l 、载荷明显影响m o s i 2 的高温摩擦磨损性能和磨损机理。在1 0 0 0 、6 0 r p m 条件下，当载荷小于5 0 n 时该材料具有较好的耐磨性；虽然粘着磨损普遍存在， 但随着载荷的增大，m o s i 2 的磨损机理依次还表现出研磨、塑性变形与疲劳断裂 2 、温度明显影响m o s i 2 的高温摩擦磨损性能和磨损机理。在3 0 n 、6 0 r p m 的条件下，当温度小于8 0 0 时，m o s i 2 具有较好的耐磨性；高温下m o s i 2 的主 要磨损形式为粘着磨损与氧化磨损，当温度超过9 0 0 1 2 ( 材料塑脆转变温度点为 9 0 0 ) 时，m o s i 2 磨损表面还呈现出塑性变形与断裂特征。 3 、转速明显影响m o s i 2 的高温摩擦磨损性能和磨损机理。在1 0 0 0 、3 0 n 条件下，当转速低于8 0 r p m 时，材料有较好的耐磨性；在不同转速下，磨损机 理以粘着磨损为主，随着转速的增加，塑性变形和研磨磨损显著。 4 、建立了基于径向基神经网络的二硅化钼磨损率的预测模型，能对一定 范围温度、载荷、转速条件的二硅化钼材科的磨损率做出比较准确的预测。 关键字：二硅化钼，高温，摩擦磨损性能，人工神经网络 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dm o s i 2h a sd o u b l ec h a r a c t e r i s t i c sl i k em e t a l 勰w e l la s l i k ec e r a m i c i th a sb e t t e rp e r f o r m a n c es u c ha sh a r d n e s s , i n t e n s i t y , e l a s t i c i t y c o e f f i c i e n t , h e a ta n de l e c t r i c i t yc o n d u c t i o n a tp r e s e n t , t h em a t e r i a lo fm o s i 2h a v e u s e dw i d e l yi ne l e m e n tf o rh e a t i n g i ti su s e da st h es t r u c t u r a lm a t e r i a lw h i c hw o r ki n h i 曲t e m p e r a t u r ea b o v e1 0 0 0 1 2h a sb e c o m et h eh o ts p o to fr e s e a r c h i n g t h r o u g h w i d e l ys t u d y i n go ft h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s ，s c h o l a r sf i n dt h a tt h em o s i 2 h a sb e t t e r w e a rr e s i s t a n c e ，b u tm o s to ft h ew o r k sa d o n ea tr o o mt e m p e l a t u l ，n o n eo ft h e m s t u d yt h ew e a l b e h a v i o r so fm o s i 2u p o n8 0 0 1 2 i nt h i sp a p e r , t h et r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o fm o l y b d e n u md i s l i c i d e ( m o s i 2 ) a g a i n s ta 1 2 0 3u p o n7 0 0 1 2a r e i n v e s t i g a t e d t h em o s i 2c o m p o s i t e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e db ys e l f - p r o p a g a t i n gh i g h t e m p e r a t u r es y n t h e s i s ( s h s ) a n dh i 曲t e m p e r a t u r es i n t e r i n gt e c h n i q u e 弧e t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f m o l y b d e n u md i s l i c i d e ( m o s i 2 ) a g a i n s ta 1 2 0 3a r ec a r r i e do n 趾x p - 5t y p eh i g ht e m p e r a t u r ef r i c t i o na n dw e a rt e s t e r t h ew e a l m e c h a n i s m sa r e a n a l y z e db ym i e r o g r a p h so f t h eb 汕 f a c eo b s e r v e db ys e m w i t he d s ar b fn e t w o r k f o r e c a s t i n gm o d e lf o rw e a l r a t ei sb u i l tw i t haw o r k b o xo fa r t i f i c i a ln e u 矗dn e t w o r k r e s u l t sa t es h o w na st h ef o l l o w i n g ： 1 t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a rm e c h a n i s m so fm o l y b d e n u md i s l i c i d e w e l ei n f l u e n c e dg r e a t l yb yl o a d a tt h ec o n d i t i o no f1 0 0 0 o ，6 0 r p r a , m o s i 2 h a sb e t t e rw e a rr e s i s t a n c ew h e nl o a dw a sl o w e rt h a n5 0 n ，a d h e s i o ne x i s t s w i d e l yi nt h i se x p e r i e n c e h o w e v e r , w i t ht h el o a di n c r e a s i n g , t h ew e a l m e c h a n i s m so fm o s i 2a r ec h a n g e df r o ma b r a s i o n , p l a s t i cf o r m i n gt of a t i g u e 丘a c 岫i nt u r n 2 t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a l m e c h a n i s m so fm o l y b d e n u md i s l i c i d e w e r ei n f l u e n c e dg r e a t l yb yt e m p e r a t u r e a tt h ec o n d i t i o no f3 0 n ，6 0 r p r a , m o s i 2h a sw e l lf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t yb e l o w8 0 0 t h em a i nw e a r m e c h a n i s m so fm o s i 2a r ca d h e s i o na n do x i d a t i o na th i g ht e m p e r a t u r e w h e n o v e r9 0 0 。c ，b e c a u s et h eb r i t t l ed u c t i l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e b mo f m o s i 2i sa b o u t9 0 0 。c ，p l a s t i cd e f o r m a t i o na n df r a c t u r ea r ef o u n do nt h ew o i t i i i 茎堡里三查堂堕主兰垡笙壅 s u r f a c e p f m o s i 2 3 1 1 玲t h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a l m c c l m n i s m so fm o l y b d e n u md i s l i e i d e w e l ei n f l u e n c e dg r e a t l yb yr o t a r yr a t e a tt h ec o n d i t i o no f1 0 0 0 ( 2 ，3 0 n , m o s i 2h a sw e l lf r i c t i o na n dw e a l - p r o p e r t yb e l o w8 0 r p m a td i f f e r e n tr o t a r y r a t e ，t h em a i nw e a l m e c h a n i s m so fm o s i 2a f ea d h e s i o n h o w e v e r , w i t ht h e r a t ei n c r e a s i n g ，p l a s t i cf o r m i n ga n da b r a s i o na l s oe x i s t 4 af o r e c a s t i n gm o d e lo fw e a l - r a t ef o rm o s i 2w a sb u i l tw i t ha r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k , i th a sb e t t e rf o r e c a s tu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 1 0 a da n dr o l a r y r a t e k e yw o r d s ：m o l y b d e n u md i s i l i c i d e ，h i g ht e m p e r a t u r e ，t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s ， a n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代航空、航天高技术产业的飞速发展，对材料的性能要求也越来越 高，例如，作为发动机的高温构件，既要有更高的工作温度，又要有更好的力 学性能。但是，目前应用较为广泛的镍基超合金的高温强度和使用温度均已达 到极刚1 ，2 翔而高温结构陶瓷的技术性能水平还不能完全满足热机结构部件工业 化应用的要求，难熔金属和新型c ，c 复合材料却不抗氧化且制造成本昂贵【4 ”。 因此，开发能满足高技术对高温材料综合性能指标要求的新型结构材料已成为 函待解决的现实问题。所以，材料工作者们研制可用作未来航空发动机超高温 结构部件材料的工作势在必行。 近二十年来，金属间化合物作为性能介于金属与陶瓷之间的一类新型材料 异军突起，逐渐成为先进高温结构材料研究的热点之一嘲，特别是以二硅化钼 ( m o s h ) 为典型代表的难熔金属硅化物材料，因其在1 2 0 0 1 6 0 0 的高温氧化 性条件下所表现出的优良综合性能，而极有希望成为继c c 复合材料及陶瓷 陶瓷复合材料后的又一类新型高温结构材料。根据选择航空用高温结构材料时 需要考虑的三个主要性能参数：高熔点、低比重、强高温抗氧化性，由于二硅化 钼在所有金属硅化物中具有最好的高温抗氧化性，以及足够高的熔点和适中的 比重而倍受材料学者们的关注【7 j 。 目前，m o s i 2 作为电炉发热元件和难熔金属的抗氧化涂层材料己经实现了 工业化应用认可，同时，人们把它用作大规模集成电路元件材料的研究工作也 已取得很大进展【8 一。美国人m a x w e l l 最早提出了m o s h 可以作为高温结构材料 使用的建议，但人们真正认识到m o s h 作为高温结构材料的潜在价值则是最近 二十年的事情【l o l ，二十世纪八十年代以来，美、日、德等国的材料学者从变形 机理、氧化机理和复合强韧化等三方面，对二硅化钼进行了大量的研究 i i , 1 2 , 1 3 , 1 4 】， 并已取得可喜的进展。特别在美国，自二十世纪八十年代中期，在此方面的开 发和研究蓬勃兴起，并于一九九一年由美国海军研究局主持召开了首届结构硅 化物讨论会，为二硅化钼在高温结构材料方面的应用提供了重要依据，随后这 方面的研究开始遍布世界各地。近十年来，我国材料界对二硅化钼作为高温结 武汉理工大学硕士学位论文 构材料的研究也得到了重视，在材料的基础理论、制备工艺优选以及改进材料 特性方面的研究已逐步展开【1 5 , 1 6 , 1 l 1 。 1 9 1 ，但其研究的深度和广度与国外相比还差 距甚大。 金属硅化物的熔点一般均比相应的纯金属的熔点低，且随硅化物中含硅量 增加而降低。因此，这类高温结构材料总选择含硅量较高，同时又有足够熔点 的难熔金属硅化物。目前，对于新一代高温结构材料的使用温度要求达到1 6 0 0 左右，若按o 8 t n l 计算最高使用温度，则硅化物的熔点至少要在2 0 0 0 以上， 才可作为新型高温结构材料的候选者表1 1 列举了一些具有2 0 0 0 以上熔点 表1 1 具有2 0 0 0 以上熔点的硅化物 图1 - 1m o s i 二元相图 2 p毒，薹&； 武汉理工大学硕士学位论文 的硅化物 2 0 1 。 在上述材料中，m o s i 2 以其较高的熔点，极好的高温抗氧化和耐腐蚀能力， 良好的导热性和导电性，高的热稳定性，较好的强度和适中的密度而被认为是 最有前途的材料。 1 2 二硅化钼结构和性能 图1 1 为m o _ 岱i 二元相图，可见钼的二元硅化物有三种，二硅化钼是铝硅 合金中含硅量最高的一种化合物。它存在两种不同的晶体结构口1 1 ，1 9 0 0 1 2 以下 为稳定地c l l b 型四方晶体结构( 简称m o s i 2 ( t ) ) ，1 9 0 0 c 至2 0 3 0 1 2 为不稳定 的c 4 0 型六方晶体结构( 简称m o s i 2 ( h ) ) ，其中以四方型的m o s i 2 最引人注目。 如图1 - 2 所示，四方型的m o s i 2 是长程有序的晶体结构瞄】，c = o 7 8 5 n m ，a = 图1 2m o s i 2 的晶体结构和原子排布 o 3 2 r i m 。由于m o 、s i 原子半径相差不多( r m 。= 1 3 9 n m , r s i = 1 1 7 r i m ) ，电负性也比 较接近( ) ( m o = 2 1 0 , x s i = 1 8 0 1 9 0 ) r 2 3 l ，故当它们的原子数之比为l ：2 时，即可 形成成分固定的道尔顿型金属间化合物刚，其结构符号为c 曲。这种晶体结构是 由3 个体心立方晶胞沿c 轴方向经过3 次重叠，m o 原子座落其中心结点及八个 顶角，s i 原子位于其余结点，从而构成了稍微特殊的体心正方晶体结构( 图1 2 a ) 。 从其原子密排面( 1 l o ) 上的原子组态( 图1 - 2 b ) 可以看出，s i s i 原子组成了共价 键链，而m o m o 原子属于金属键结合，m o s i 原子介于其间，致使其的原子结合 具有金属和陶瓷的双重特性。 0；9e蜉，的：姊：盼。的 9，o；手。t耋- 武汉理工大学硕士学位论文 金属问化合物m o s i 2 具有如下特性：( 1 ) 有较高的熔点( 2 0 3 0 ) ，适中的密 度( 6 2 4 9 c m 3 ) 、低的热膨胀系数( 8 1 1 0 r 6 k 1 ) 、高的弹性模量、良好的电热 传导性能( 电阻率为2 1 5 0 x l 旷，热传导率2 5 w m k ) ；( 2 ) 具有较强的复合功能， 能够与s i c 、s i 3 n 4 、z r 0 2 、a 1 2 ，y a g 、y 2 0 3 、t i b 2 、t i c 等复合而强化机体 h ；3 ) 韧脆转变温度( b d t t = 1 0 0 0 ) 较高，在韧脆转变温度时表现 出类似于陶瓷的脆性及高于1 2 0 0 一1 3 0 0 时蠕变抗力降低；( 4 ) 具有优异耐腐 蚀性能和高温抗氧化性能，1 6 0 0 时仍有很好的抗氧化性，但在低温 ( 4 0 ( 0 - - - 6 0 0 ) 下，m o s h 表现有加速氧化的趋势，尤其在5 0 0 左右时，m o s h 材料常常因剧烈氧化而成粉末状，形成“p e s t i n g ”现象【2 5 】；( 5 ) 具有r 特性( 如 图l 一3 ) ，即在较宽的温度范围内强度并不随温度的升高而下降。由图可见，温 度低于1 4 0 0 ，m o s h 强度不降低，温度高于1 4 0 0 ，则急剧软化。因此，如 能进行高温塑性加工，大概也得在1 5 0 0 以上。 享 警 r 翅 警 匿 温度( ) 图1 3m o s i 2 的r 特性 对于m o s h 的滑移系，有许多不同的报道。其中v a h l d i e k 【8 】通过压痕法对 m o s i 2 单晶进行研究时，认为其主、次滑移系为 1 0 0 和( 1 1 0 ； b e r k o w i t z - - m a t t u k 嗍报道了温度在6 2 5 1 1 2 5 1 2 之间，压应力状态下，m o s i 2 单晶的滑移面为 1 1 0 ； u m a k o s h i 2 7 1 在9 0 0 c 单晶下的实验中发现滑移发生在 1 1 0 和 1 0 3 平面的 方向。这些滑移系的变化，反映了测试温度和应力状 态对m o s i 2 形变和断裂机制的影响。u n a l 【2 8 l 在高温( 1 2 0 0 c ) 下观察到了位错， 其柏氏矢量为 、 、1 2 ，对应于体心四方中的最小晶格矢量。 因此，由于滑移系数量上的不足，在变形时容易在晶界上产生位错塞积，引起 4 武汉理工大学硕士学位论文 应力集中，造成材料的脆性。 m o s h 的高温抗氧化性与s i c 相近，在高温下形成一种粘附、凝聚、玻璃 状的s i 0 2 保护层，并与机体牢固结合，使基体免受氧的侵蚀。m o s i 2 及其复合 材料的抗氧化温度也受到气氛的影响，凡是能与s i 0 2 薄膜保护层的气体均影响 m o s h 及其复合材料的最高使用温度。同时，当温度高于1 8 0 0 时氧的扩散会 通过s i 0 2 层，破坏保护层，生成易挥发的s i o 。 1 3 二硅化钼及其复合材料的合成工艺与机理 航空、航天、核工业、机械、化工等工业的发展离不开材料科学的发展， 材料性能的提高是材料科学的发展的关键，材料的合成技术直接影响着材料的 性能。m o s i 2 从发现至今，国内外研究者为提高其性能作了很多的探索，发明 了很多新的合成m o s i 2 及其复合材料的方法，有机械合金化( m a ) ，高温自蔓 延合成( s h s ) ，火花等离子烧结( s p s ) ，热等静摩法( h i p ) ，放热扩散法 ( x d ) ，固态置换反应等。 ( 1 ) 机械合金化( m 舢 m a 技术是通过高能球磨使材料实现固态反应而合金化的方法。它能够灵 活控制固溶或第二相添加以及产物的晶粒粒子尺寸，在室温下能产生原子级的 合金化，且产生杂质含量非常低的合金，提高材料的加工性能。基于以上优点， 国内外学者对m a 技术合成m o s h 及其复合材料上进行了大量的研究。在机理 方面，p a t a n k a r t 2 9 j 等将m a 过程中的a - - m o s i 2 的爆发式形成的机理归结为类 s h s ，而y 醯【3 0 l 通过对m o 与s i 不同化学配比的混合粉末球磨，得出按含6 7 a t s i 的混合粉末能合成a - - m o s i 2 ，其反应机理为机械诱导自蔓延( m s r ) ；含5 4 和8 0 a t s i 时，是逐渐生成a - - m o s i 2 和p - - m o s h 的混合相，而非m s r ； 3 7 5 a t s i 的混合粉末能发生缓慢的反应，其生成相和反应相在很长的一段时间 内共存；2 5a t s i 球磨1 5 0 h 也没有m 0 3 s i 相生成。b o k h o n o v l 3 1 1 对m o - - s i 系 统机械合金化相的形成顺序进行了深入的研究，指出在机械合金化中，m o s h 是最先形成的相，在原子比m o _ _ 3 7 5 a t s i 和m o _ - 2 5 a t s i 的系统中，形成 无定形的m o s i 2 。对于m o s i 2 的球磨工艺，王德志p 2 】等对球磨工艺进行了系统 的研究，对不同球磨条件下m o s i 2 合成机理也进行了研究，提出了根据球磨工 艺的不同可分为扩散固溶反应和类自蔓延反应机理。可见，m o s h 的机械合金 5 武汉理工大学硕士学位论文 化机理随球磨条件的不同而出现差别，球磨能量的大小决定了m o s i 2 的机械合 金化机理，z h a n gh o u a n 田】等对不同工艺条件下的球磨能量进行了计算分析，认 为球磨过程可以用一个碰撞能量模型解释，当有效强度因子低于0 9 1 7 j g s 时， m o s i 2 的形成机制为扩散固溶，当有效强度因子高于1 0 6 j g s 时，其形成机制 为类自蔓延反应。王翠霞】等人对m o s i 2 进行机械研磨( m g ) ，表明相对高的能 量有利于m o s i 2 的固态相变，从a - - m o s h 相向1 5 - - m o s i 2 相转变。 ( 2 ) 自蔓延高温合成( s h s ) 自蔓延高温合成技术是在一定的气氛中点燃粉末压坯，化学反应放出的生 成热使得邻近的物料温度骤然升高而维持反应连续进行，化学反应以燃烧波的 形式蔓延通过整个反应物，燃烧波推进前移时反应物转变为生成物。此技术能 一步合成增强体均匀分布的复合材料，因而为制备m o s i 2 基复合粉末提供了一条 新的途径。王学成掣”l 研究了m o s i 2 的自蔓延高温合成的过程：合成中首先在 颗粒外表面发生剧烈溶解反应，并形成一层过渡薄膜层，m o s i 2 在薄层富硅侧以 结晶方式形成。艾云龙等 3 6 3 t 1 用高温自蔓延合成y w s i 2 - - m o s i 2 和 m oe l - x ) w d s i 2 m oc 1 x ) w x 5 s i 3 复合材料。近年来人们已经不满足于仅仅用s h s 来合成m o s i 2 粉末，而是用常规s h s 技术及非常规s h s 技术来完成m o s i 2 的复合化以及合金 化。g r a s 掣弼】采用机械活化辅助自蔓延高温合成( m a s h s ) ，即先对m o s i 纳米混 合粉末进行机械球磨活化转换为微米颗粒，然后自蔓延高温合成了具有纳米尺 寸( d m o s u = 8 8 n m ) 结构的纯1 _ m o s i 2 粉末。x u 等【3 9 】通过添力f l n i - 1 4 c i ，把s i - _ t i 混 合粉末以及m o s i 混合粉末分别放在石墨坩埚的内部，中间用碳毡分开，s i t i 混合粉末当作辅助化学炉，用化学炉增强自蔓延高温合成( c o s h s ) 的工艺合成了 高纯度的单相m o s i 2 。 1 4 二硅化钼及其复合材料的应用 m o s i 2 以其优异的综合性能而广泛应用于航空航天、微电子、机械、交通运 输、核反应堆、化工等工业生产部门 1 4 1 电炉发热元件 在高温发热元件中，使用最多的是s i c 元件，其使用温度在8 0 0 c 1 4 0 0 c ， 但是s i c 发热元件的一个最大缺陷是容易老化。m o s i 2 具有良好的导电性、优异 6 武汉理工大学硕士学位论文 的高温抗氧化性、升温速度快、不易老化等特点，自1 9 5 6 年瑞典康泰尔公司获 得第一个商业专利以来，作为高温工业炉发热元件在玻璃工业、电子工业、冶 金工业、陶瓷工业等各领域得到了广泛的应用。但是纯m o s i 2 发热体在使用过程 中存在着机械强度低、安装困难等缺点。因此，目前常用的解决办法是加入s i c 、 舢2 0 3 和m 0 5 s i 3 等第二相进行改性或制成复合发热体。其中m o s i r - s i c 复合发 热体不仅具有比纯m o s i 2 还好的高温抗氧化性，同时s i c 颗粒构成骨架结构并承 受荷重，使m o s i 广- s i c 复合发热体在高温时不发生软化变形因此，可以同s i c 发 热体一样采用水平安装，大大简化了安装方法。对m o s i 2 采用w s i 2 进行合金化， 用部分w 取代m o 制成( m o ，w ) s h 合金型发热体，不仅可使发热体的机械强度有 所提高，而且可使最高使用温度从1 7 0 0 c 提高到1 9 0 0 m o s i 2 用作发热元件的代表商品为由瑞典康泰尔公司制造的k a n t h a l - - s u p e r 。日本的理研工业( r i k e nc o r p o r a t i o n ) 8 0 年代开发出硼化钼粒子分散强化 m o s h 基复合材料，提高了m o s i 2 高温抗变形能力，用此复合材料制成的发热元件 能用于一些苛刻的条件下。9 0 年代初，康泰尔公司又推出最高使用温度达1 9 0 0 的发热元件。 1 4 2 高温抗氧化涂层 1 0 t 图1 - 4 钼的防护层在大气压力下空气中的性能 7 武汉理工大学硕士学位论文 m o s i ：因其优异的高温抗氧化性、热稳定性而被用作难熔金属、c c 材料等 的高温涂层。早在1 9 0 7 年，m o s i 2 就被用作韧性金属的高温防腐涂层材料。文献 4 0 1 报道，m o s i 2 基复合材料能为铌提供优异的高温涂层，并可在一个很宽的温 度范围内，包括很高的温度和周期氧化条件下，为铌合金提供有益的保护作用。 m a r u k a m i t 4 1 垮研究了在铌基合金上采用s p s 技术喷涂的b m 0 5 s i 广s i o 广 m o s i 广s i 0 2 多层复合膜，发现其在1 2 0 0 c 1 4 0 0 温度范围内具有极好的抗氧 化性能。殷磊 4 2 1 等用料浆熔烧法在铌基体表面制备m o s i 2 高温抗氧化涂层，发 现涂层与基体问达到了冶金结合，通过扩散形成了过渡层，在氧化环境下， m o s i 2 涂层能在表面自生成一层s i 0 2 玻璃层，封闭熔烧涂层原始表面存在的部分 显微空洞，阻止氧的进一步扩散，经2 h 以上高温暴露后，涂层主体中形成多孔 疏松结构，导致涂层失效的原因是涂层元素与基体发生互扩散，在界面处形成 大量集中孔洞并横向贯穿，使涂层从其主体与过渡层接触的界面处发生横向内 部断裂。文献1 4 3 】报道了采用包埋法在c c 复合材料基体上制备m o s b j s i c 梯度涂 层，发现当硅与s i c 保持一定的比例，渗料中m o s i 2 的含量为5 0 时，涂层具有最 好的抗氧化效果；当m o s i 2 与s i c 保持一定的比例，渗料中硅的含量为2 0 时，涂 层具有最好的抗氧化效果对于m o 及其合金材料，在所有涂层中m o s i 2 基涂层 材料处于最先进的发展水平( 如图1 _ 4 ) 4 4 1 但当m o s h 基材料作为钼的高温涂 层时，由于存在钼和硅之间的互扩散而不断形成m 0 5 s i 3 ，表面不能形成s i 0 2 膜， 涂层失效，必须对m o s i 2 进行扩散渗涂处理m j 。 近年来，m o s h 也被用作高温结构材料的热障涂层的添加剂。据文献1 4 6 1 报 道，在a l 合金的基体上涂敷的z r o r - a l ，n i 梯度热障涂层中添加m o s i 2 ，可以将 涂层的抗热震次数提高到4 4 0 次，其主要机理为在热震过程中m o s i 2 发生了反应， 同时生成m o 和s i 的氧化物。 1 4 3 高温结构材料基体 把m o s i 2 作为结构材料的设想是5 0 年代初由m a x w e l l 首次提出来的，当时 他进行了m o s i r a j 2 0 3 复合材料的开创性研究，但由于材料的低温脆性，这种 思想没有收到足够的重视。直到1 9 7 8 年，s c h l i c h t i n g 4 7 】在e r d o e s l 4 s 、f i t z e r l 4 9 1 等人的研究基础上提出m o s i 2 是一种非常重要的高温结构复合材料的基体材 料，至9 0 年代掀起了m o s i 2 高温结构材料研究的高潮，至今，对m o s h 作为高 温结构材料的研究仍是重点和热点。 8 武汉理工大学硕士学位论文 m o s i 2 被用作高温结构材料时，就必须使其低温和高温力学性能得到提高， 由于m o s i 2 的塑脆转变温度( d b t t ) 在1 0 0 0 左右，脆性断裂限制了其 低温强度( 1 0 0 0 ) 。因此，材 料的室温韧化和高温强化就成为m o s i 2 作为高温结构材料实用化的关键。 目前，对于m o s i 2 基复合材料而言，所使用的增强体形式包括纤维、不连 续的颗粒或晶须，以及微细叠层；增强体材料有氧化物和非氧化物陶瓷，以及 难熔金属。这些复合途径的选择是在不改变材料的抗氧化性的条件下使材料的 力学性能得到提高。 1 4 4 结构陶瓷复合材料的增强体 由于m o s i 2 在b d t 温度以上是一种韧性相，它可以对脆性陶瓷产生韧化效 应。文献【卯，5 1 j 报道了m o s i 2 作为增强剂对热压s i c 、s i 3 n 4 和s i m o n 等硅基陶瓷材 料的韧化效果；文献【5 2 】报道了s i 3 n r _ m o s h 的抗弯强度随温度升高而上 升，1 4 0 0 时抗弯强度是s i 3 n 4 陶瓷的2 倍。l i mcb 等人1 5 w 用熔体浸渗法制备了 r b - - s i c m o s i 2 复合材料。宁爱林等i s 4 开展了m o s i 2 弥散强化铜的研究。此外， 一定体积分数和形态的m o s i 2 相还能提高陶瓷基复合材料的力学性能，而且可进 行电火花加工，大大降低了生产成本 1 4 5 耐磨材料 据估计，全世界大约有l ，3 1 2 的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩擦导 致的磨损是机械设备失效的主要原因，大约有8 0 损坏零件是由于各种形式的 磨损引起的，提高材料的耐磨性能以及选择既廉价又具有很好的耐磨性能的材 料对于工业应用而言意义重大m o s i 2 具有陶瓷一样的较高的硬度和弹性模量， a l m a n 等p 5 】认为在严重的两体磨粒磨损环境中，m o s i 2 具有极好的耐磨性，有望 成为一种新型的耐磨材料。 1 5 二硅化钼的摩擦学性能 m o s i 2 材料有优异的耐磨性能， 者都进行了这方面的研究。在国内， 已引起广泛的关注，国内外许多机构和学 笔者所在的湖南科技大学材料表面工程研 9 武汉理工大学硕士学位论文 究所张厚安教授课题组做了大量的研究工作( 以下简称为课题组) 。 1 5 1 纯二硅化钼的摩擦磨损性能 ( 1 ) 干摩擦条件下的摩擦磨损性能 本课题组1 5 6 j 考察了m o s i 2 与4 5 # 钢对摩时的干摩擦磨损性能，发现随p v 值( 摩擦载荷p 与摩擦速度v 的乘积) 的变化，m o s i 2 4 5 钢摩擦副的摩擦系数变 化较大p v 值为4 0 5 6 - - 9 1 5 2 n m s _ 1 时，摩擦系数从o 2 9 增加到o 6 8 ，而后 随着p v 值的增加，摩擦系数递减，p v 值为2 8 4 9 6 n - i n s “时，摩擦系数为o 2 6 。 m o s i 2 材料的磨损率随p v 值增大而增大，p 、r 值在8 1 1 2 时达到高峰，其值为o 9 9 1 m g m i n 1 ，随后降低，p v 值为2 8 4 9 6 n m s 1 时最低，为0 3 7 4 m g m i n 1 。 得出结论：当速度v 一定时，随着载荷p 的增加，m o s i 2 的磨损表面的粘着现 象加重；同时，当载荷p 一定时，随着速度v 的增加，m o s i 2 的磨损表面的粘 着现象减弱。 本课题组1 5 7 1 考察了不同载荷下二硅化钼自配副的干摩擦磨损性能，其摩擦 系数随载荷增大和时间延长呈下降趋势；随着载荷增大，达到稳态摩擦系数的时 间愈短。m o s i 2 材料的质量磨损率在一定载荷下随时间延长而降低；随载荷的增 大，磨损率降低，至一定载荷后又上升。在低载荷下，m o s i 2 摩擦面产生微塑性 变形，当循环变化的压应力和剪切应力的作用超过材料的疲劳极限时，滚动兼滑 动表面将会出现垂直于运动方向的微裂纹，裂纹扩展引起材料损失，此时磨损 机理为塑性变形和疲劳断裂；高载荷下( 如1 5 0 n ) ，表面在摩擦过程中会很快与 空气中的氧起反应，生成脆性的m o s i o 氧化膜，其对基体的附着力通常较弱 ，在其内应力和周期性的机械作用下，氧化膜极易形成裂纹而破碎脱落，导致 磨损率迅速加剧，此时磨损机理主要为氧化磨损得出结论为：随着载荷的增 大，m o s i 2 自配副的主要磨损机理从塑性变形和疲劳断裂转变为氧化磨损。 ( 2 ) 油润滑条件下的摩擦磨损性毹 本课题组1 5 s 】考察了m o s i 2 淬火4 5 # 钢在2 0 # 机油润滑下的摩擦学性能，得出 在油润滑下的摩擦系数在整个实验载荷范围内比干摩擦条件下的摩擦系数降低 了3 3 - 5 8 左右。载荷为5 0 n 时，m o s i 2 磨损表面有呈箭头形状的剥落坑，为典 型接触疲劳磨损特征，还可看到磨粒刮擦作用形成较浅的划痕。8 0 n 载荷作用 下, m o s i 2 试件表面疲劳点蚀更严重，磨损表面还可见微观裂纹，归因于周期摩 擦交变应力的增大以及磨屑所形成的磨粒的挤压和反复作用，微裂纹的扩展又 导致了m o s i 2 材料的剥落，因此，m o s i 2 材料的磨损率较大。载荷在1 2 0 n 以上时 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 , m o s i 2 表面较平整光滑。m o s i 2 试件有少量偶件材料的粘附转移物，从而导致轻微 粘着磨损的发生。这可能是由于摩擦副表面间的油膜在较高载荷作用下破裂后 发生了粘着，而粘附转移膜有效地阻止t m o s i 2 材料表面的磨损。得出结论： m o s i 2 材料在油润滑状态5 0 - - 8 0 n 载荷下的主要磨损机制为疲劳磨损和磨粒磨 损，1 2 0 n 以上时为轻微粘着磨损。 本课题组p 卅研究了油润滑条件下m o s i 2 与4 5 调质钢、4 5 淬火钢和c r w m n 钢 配对时的摩擦磨损性能。得出三种摩擦副采用油润滑均一定程度地降低了摩擦 因数值，低负荷时效果更加明显，认为三对摩擦副在油润滑条件下1 5 0 n 时具有较 好的摩擦磨损性能。结论为油润滑下m o s i 2 材料的主要磨损机制根据对摩擦件的 性质不同而存在差异：与低硬度4 5 调质钢对摩时，从5 0 n 时的晶间断裂、8 0 n 时 的疲劳断裂转化为1 5 0 n 时的轻微粘着磨损；与中等硬度的4 5 淬火钢对摩时，表 现为粘着磨损；与高硬度的c r w m n 钢对摩时，5 0 n 时表现为粘着磨损，随着负 荷增大，形成微犁削式磨损并在偶件表面材料凸点的前端形成楔块。 由以上的研究可知，m o s i 2 与4 5 # 钢和m o s h 自翟副对摩时，有较低的磨损 量，表现出好的耐磨性。在不同的载荷下，其磨损机理存在差异，摩擦系数随 载荷的增大呈下降的趋势。当低载荷较低时，以磨粒磨损和疲劳磨损为主，在 较高载荷下，粘着磨损出现，同时在高载荷、高摩擦热作用下，材料表明出现 氧化现象。油润滑极大的改善了接触状况，摩擦系数和磨损量均有较大程度的 降低。 1 5 2 二硅化钼基复合材料的摩擦磨损性能 ( 1 ) 干摩擦条件下的摩擦磨损性能 p a n 6 0 l 等研究了s i c 粒子增韧的m o s i 2 基复合材料的摩擦磨损性能，发现当 与s i c 和a 1 2 0 3 砂轮对摩时，其耐磨性能得到了明显提高。在1 m p a 载荷下， 复合材料的磨损率仅为纯a 1 2 0 3 的l ，6 ，且二者耐磨性的差别随载荷的增大而增 大。 s u n t 6 q 等研究了2 0 t i c w m o s i 2 和2 0 s i c w m o s h 复合材料的摩擦磨损 性能，发现在1 2 m p a 的载荷下，复合材料的磨损率比纯m o s i 2 分别降低了9 6 和9 4 ，认为其主要原因是复合材料的硬度和韧性的显著提高。 刘伯威1 6 2 1 等研究了2 c m o s i 2 复合材料的组织结构与性能。认为 2 c m o s i 2 复合材料主要i 虫m o s i 2 组成，同时也含有多量的m 0 5 s i 3 和少量的b 2 s i c 。在m o s i ：中加入碳，减少了材料中的有害缺陷，生成了强化相m 0 5 s i 3 和b 2 s i c ；与 武汉理工大学硕士学位论文 纯m o s i 2 相比，2 c m o s i 2 复合材料的室温抗弯强度提高了1 6 ，断裂韧性提高了 2 3 5 ，1 2 0 0 0 c 的抗压强度提高了2 5 ，1 4 0 0 0 c 的抗压强度提高了7 5 在硬度和弹 性模量方面也得到了改善；在a 1 2 0 3 和s i c 磨盘上, 2 c m o s i 2 复合材料表现出优 异的耐磨性能。 本课题组【6 3 】研究了不同载荷条件下a i m o s i 2 材料与4 5 钢配对时的干摩擦 磨损性能。a l m o s i 2 材料的摩擦系数随负荷增大呈下降趋势。材料的磨损率随 负荷增大先上升，至5 0 n 时出现极大值，然后磨损率下降，至8 0 n 时出现极小值， 当负荷大于8 0 n 时，磨损率随负荷增加而线性增大。在低负荷3 0 n 时，a l m o s i 和m o s i 2 材料微凸体的硬度远高于对摩件4 5 钢，容易在较软的钙钢表面产生微 切削，互嵌效应强，摩擦系数高而材料的磨损率低。5 0 n 时摩擦副表面物质发生了 互扩散，材料的磨损率达到最大值。8 0 n 时，在a l m o s h 材料表面可明显见到带 有网状裂纹的黑色区域，x 衍射结果表明其为m o s ( s i ，a l b 和f e 3 0 4 的混合物， 它的存在降低了粘着程度，使材料的磨损率维持较低水平。1 5 0 n 时，m o 与s i + a l 的原子比近似于1 ：2 ，认为在摩擦热效应作用下材料表面已生成m o ( a i ，s i h 化合物，其在大交变应力作用下脆性脱落成为磨粒，因而在对摩件4 5 钢表面沿运 动方向产生清楚的凿削痕迹，粘着现象已不明显，表明粘着磨损已转化为凿削式 磨粒磨损，故磨损率急剧增加。得出结论为少量越的添加降低了m o s i 2 材料的 干摩擦磨损性能。 本课题组畔烤察t a 2 0 3 和w s i 2 增强m o s h 基复合材料在滑动干摩擦时的