新型广域温度自润滑金属基复合材料的研究

发布时间：2017-10-26 15:09

  本文关键词：新型广域温度自润滑金属基复合材料的研究

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【摘要】：航天航空领域以及空间技术对材料的要求日益严格,许多极端工况超出了液体润滑油脂的承受范围,因此固体润滑材料便应运而生。本文采用固相反应法制备了具有MAX结构的三元层状化合物Cr_2AlC,并添加到镍铬合金基体中。采用放电等离子烧结法(SPS)制备了三种Ni基高温自润滑复合材料,其中Cr_2AlC的含量分别为10wt.%、20wt.%、30wt.%。分别采用XRD、SEM、TEM、EDS、XPS、维氏硬度仪、高温摩擦磨损试验机等测试手段,考察了复合材料的物相组成、组织形貌、表面元素构成、磨损表面形貌与成分、硬度及摩擦学性能。分析了三元层状化合物Cr_2AlC合成机理,系统地研究了固体润滑剂含量及温度对复合材料的微观组织结构、力学性能和高温摩擦学性能的影响,探讨了复合材料在广域温度下的自润滑机理。利用固相反应法制备三元层状化合物Cr_2AlC,由于原料粉体熔点及饱和蒸汽压不同,计算并选择了适当比例进行合成。采用XRD分析产物相组成,确定Cr:Al:C=2:1.2:1的原料摩尔比,并合成了纯度高、粒径小的Cr_2AlC。根据三元相图以及合成路径,探究了Cr_2AlC合成中原材料组分对产物的影响机理。放电等离子烧结得到的复合材料中Cr_2AlC能保持层状结构。复合材料致密度高,复合材料的密度随固体润滑剂含量增加而降低,材料的维氏硬度随Cr_2AlC含量的增加而增加。当添加固体润滑剂的含量为20wt.%时,复合材料的摩擦学性能达到最好,在测试温度下的磨损率均低于5.0×10-5 mm3/Nm;400℃及600℃下,摩擦系数仅为0.3,摩擦过程十分稳定。室温及200℃下复合材料发生轻微氧化,产物为NiO、Cr2O3、Al2O3,氧化层脆性高,摩擦过程中伴随着剥离,因此摩擦系数较高且摩擦过程波动较大。磨损机理为脆性断裂和剥层磨损。200℃下氧化膜与磨损表面的结合力高,磨损率降低。室温下对磨球表面不平整。在400℃、600℃高温下,复合材料表面氧化严重,氧化膜的成分为NiO、Cr2O3、Al2O3以及具有良好润滑性能的NiCr2O4。同时在高温软化作用下,磨屑“釉化”形成覆盖性好、连续的润滑膜,能够显著降低摩擦系数及摩擦过程的波动。对磨球表面光滑、平整。当Cr_2AlC含量过高,会引入过多CrxCy硬质相,这会导致前期磨合期时波动很大,影响稳定性,因此要合理控制Cr_2AlC的含量。
【关键词】：Cr2AlC 金属基复合材料 摩擦学性能 高温自润滑
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB333
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-20
• 1.1 课题背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-12
• 1.2.1 国外研究现状9-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 高温固体润滑复合材料12-18
• 1.3.1 主要高温固体润滑材料分类13-15
• 1.3.2 高温固体润滑剂的特性及分类15-18
• 1.4 本文的主要研究内容18-20
• 第2章 试验材料与研究方法20-27
• 2.1 试验用原材料20-21
• 2.2 试验材料制备21-23
• 2.2.1 固相反应制备固体润滑剂粉体21
• 2.2.2 放电等离子烧结制备镍铬基体及自润滑复合材料21-23
• 2.3 材料组织结构分析及力学性能测试23-24
• 2.3.1 相对密度的测定23
• 2.3.2 XRD物相分析23
• 2.3.3 扫描电镜观察及分析23-24
• 2.3.4 透射电镜观察及分析24
• 2.3.5 X射线光电子能谱分析24
• 2.3.6 块体材料的维氏硬度24
• 2.4 材料摩擦学性能测试24-27
• 2.4.1 摩擦系数24-25
• 2.4.2 磨损率25-27
• 第3章 Cr_2AlC粉末的制备与合成机理27-34
• 3.1 固相反应法制备Cr_2AlC粉末27-29
• 3.1.1 固相反应法制备Cr_2AlC粉末工艺路线27-28
• 3.1.2 固相反应法制备Cr_2AlC粉末成分及形貌分析28-29
• 3.2 不同原材料配比对合成产物的影响29-31
• 3.2.1 原材料配比的选择29-30
• 3.2.2 不同原材料配比对合成产物的影响30-31
• 3.3 固相反应法制备Cr_2AlC的合成机理31-33
• 3.4 本章小结33-34
• 第4章 镍基体及复合材料的组织结构和力学性能34-41
• 4.1 镍基体材料的组织结构及力学性能34-36
• 4.1.1 放电等离子烧结获得镍基体材料的相组成分析34-35
• 4.1.2 镍基体材料的组织形貌及元素分布35
• 4.1.3 镍基体材料的力学性能35-36
• 4.2 镍基复合材料的组织结构及力学性能36-40
• 4.2.1 不同固体润滑剂含量的镍基复合材料的相组成分析36-38
• 4.2.2 镍基复合材料的组织形貌及元素分布38-39
• 4.2.3 镍基基体及镍基复合材料的密度及致密度39
• 4.2.4 镍基复合材料的维氏硬度39-40
• 4.3 本章小结40-41
• 第5章 镍基体及复合材料摩擦学性能和磨损机理41-63
• 5.1 镍基体材料的摩擦磨损性能及磨损表面分析41-46
• 5.1.1 温度对镍基体摩擦磨损性能的影响41-42
• 5.1.2 镍基体材料在不同温度下的摩擦磨损表面形貌42-46
• 5.2 镍基复合材料的摩擦磨损性能及磨损表面分析46-58
• 5.2.1 温度对镍基复合材料摩擦磨损性能的影响46-48
• 5.2.2 复合材料的磨损表面形貌及成分分析48-58
• 5.3 固体润滑剂含量对镍基复合材料摩擦磨损性能的影响58-61
• 5.3.1 固体润滑剂含量对镍基复合材料的摩擦系数的影响58-60
• 5.3.2 固体润滑剂含量对镍基复合材料磨损率的影响60-61
• 5.4 镍基复合材料在高温下的自润滑机理61
• 5.5 本章小结61-63
• 结论63-64
• 参考文献64-70
• 致谢70

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本文编号：1099199