宽温域镍基固体润滑复合材料的制备及摩擦学性能研究

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宽温域固体润滑材料核技术在高技术领域有着重要的需求,相关的摩擦学理论发展不足。本论文设计制备了几种摩擦学性能优异的镍基固体润滑复合材料。较系统的研究了材料的组织结构和力学性能以及滑动速率、配副材料、试验温度、环境气氛、润滑剂组合以及合金元素等对复合材料摩擦学性能的影响规律。获得的主要研究结果如下:  1.研究了滑动速率对NAF5复合材料(组成为:Ni15Cr12Mo3Ti1Al-12.5%Ag-5%BaF2/CaF2)摩擦学性能的影响。结果显示:随滑动速率的增加,复合材料摩擦系数有先降低后增大的趋势,滑动速率为0.6m/s时,其摩擦系数最小,这是此时具有最佳的润滑层厚度;0.2~0.4m/s时,复合材料在400℃时磨损最严重;0.6~1.0m/s时,最大的磨损率出现在600℃;800℃时复合材料磨损率最低。这是复合材料磨损表面氧化和机械耦合相互作用的结果。  2.不同对偶材料对NAF5复合材料摩擦学性能的影响较小。室温至800℃范围,NAF5复合材料与Al2O3陶瓷球配副时表现出较低的摩擦系数,为0.21~0.25而与Inconel718配副时,摩擦系数较高,为0.30~0.32。磨损机理为:室温至600℃,主要为犁沟和剥层磨损;800℃高温时,氧化使磨损表面形成了光滑致密的釉质层,主要为微犁沟磨损。  3.设计制备了Ni15Cr12Mo3Ti1Al-(Ag,MoS2,CaF2)复合材料,研究了Ag、MoS2、CaF2固体润滑剂之间的协同效应。结果显示:室温至200℃,Ag和MoS2固体润滑剂在复合材料中具有最佳的协同作用;400~700℃,MoS2和CaF2在复合材料中协同作用最佳。这是因为低温时Ag和MoS2可在磨损表面形成润滑膜,起润滑作用;而在中高温时磨损表面形成了主要成分为CaF2、CrxSy、NiCr2O4和MoO3的润滑膜。  4.利用热压烧结方法制备了Ni15Cr12Mo3Ti1Al-Ag-BaF2/CaF2-石墨复合材料,研究了石墨含量对复合材料摩擦学性能的影响。结果显示:少量石墨(0.5wt.%和1.0wt.%)的加入有助于降低复合材料的摩擦系数,但增加了复合材料的磨损率。相反,高含量石墨(2.0wt.%)可提高复合材料中温时的抗磨损性能,但会降低其润滑性能。EDS及XRD分析显示石墨可促进磨损表面物质的氧化,因而使复合材料磨损表面更易形成高强度的氧化釉质层。  5.研究了真空环境下NAF5和Ni15Cr12Mo3TilAl-Ag-BaF2/CaF2-石墨复合材料在室温至800℃范围内的摩擦学性能。结果显示:真空环境下复合材料摩擦系数明显低于其在大气环境下的实验结果。室温至600℃的磨损率比其大气环境下降低了约3-8倍,然而800℃时磨损率高了约3倍。其原因为:室温至600℃,真空环境下,复合材料磨损表面形成了润滑膜并且有效提高了其固体润滑性能,而大气环境下,润滑膜的氧化导致其与基体材料结合性能下降,部分发生剥落,因此其摩擦系数和磨损率较高。800℃时,真空环境下复合材料力学性能的急剧下降,复合材料抗磨损性能降低;而大气环境下,氧化釉质层的形成提高了材料的润滑和抗磨损性能。  6.研究了Mo含量对NiCrMoTiAl-Ag-BaF2/CaF2复合材料力学和真空环境下摩擦学性能的影响。结果显示:Mo含量对复合材料力学性能影响显著,随Mo含量的增加,复合材料的韧性逐渐降低,硬度逐渐增大。而Mo含量对摩擦系数影响较小,随温度升高其变化趋势与NAF5复合材料类似,均在600℃时具有最低的摩擦系数。随Mo含量的增加,复合材料的脆性增加,磨损机理由粘着和疲劳磨损转变为磨粒磨损。
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