Page 105 - 《摩擦学学报》2021年第3期

394 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

which was attributed to the dispersion strengthening effect of the in-situ generated TaC and Al 2 O 3 ceramic phase. The
fracture mechanism of the materials varied from micro-void coalescence fractures to the fracture combining micro-void
coalescence and oxidative fractures with increasing temperature.
Key words: Ni-based composites; wide temperature range; tribological properties; mechanical properties; fracture
mechanism

固体润滑材料是解决滑动部件在高温(T>500 ℃) 理和变形断裂机制，为宽温域内机械性能和摩擦学性
和重载等苛刻工况下摩擦磨损问题的有效途径，航空 能优化统一的材料的设计制备提供理论和技术基础.

航天等高新技术的迅猛发展对固体润滑材料宽温域
1 试验部分
(RT~1 000 ℃)内的机械性能和摩擦学性能提出了更
高的要求 [1-2] . 而镍基高温合金以其优异的抗氧化、耐 1.1 材料及制备
腐蚀和高温力学性能在航空航天摩擦学领域应用广 原材料采用市售的Ni粉(60 μm)、Cr粉(48 μm)、
泛 [3-4] . 研究表明，一些合金元素不仅可以提高机械性 Mo粉(48 μm)、Al粉(48 μm)、Ta粉(48 μm)和Ag粉(25 μm)，
能，而且还可以改善摩擦性能. 如Al、Cr、Mo和Ta等合 质量分数均大于99%(分析纯级). 首先按表1所列出的
金元素，Al可以与Ni形成γ′(Ni Al)相，起沉淀强化作 具体重量比称取后放入ZrO 陶瓷球磨罐中，球料重量
3
2
用，此外，Al被原位氧化生成氧化铝，可提高基体的力 比为10:1，而后放入行星式高能球磨机(Fritsch P5，
学性能；而Cr、Mo和Ta等元素不仅可以通过固溶强化 Germany)中球磨20 h进行机械合金化，球磨机转速为
增强基体，Mo在高温下的氧化物MoO 和摩擦化学反 250 r/min. 球磨后的复合粉末在石墨模具中冷压预成
3
应生成的钼酸盐具有优异的高温润滑性 ；Ta经高温 型，然后置于真空热压烧结炉(ZT-45-20Y，上海晨
[5]
摩擦化学反应生成的钽酸盐是优良的高温润滑剂，在 华)中进行热压烧结，烧结工艺为烧结温度1 100 ~
-2
[6]
温度高达1 000 ℃时仍起到良好的润滑作用 ，Stone [7] 1 200 ℃，压力为25 MPa，动态真空度为10 Pa，保温
报道了AgTaO 涂层在750 ℃下摩擦系数可低至0.06； 保压时间为30 min~1 h，随后随炉冷却. 将烧结后的试
3
Cr的氧化物可起增强和抗磨作用. 软金属Ag在中低温 样加工成所需尺寸样品，研磨、抛光并用丙酮进行超
[8]
范围为镍基合金提供有效的润滑作用 . 声波清洗，以进行后续测试和分析.

近年来，宽温域润滑材料的研究取得了一些进 1.2 试验方法、性能测试与表征方法
展，大多通过复配不同温域润滑剂或添加低温润滑剂 采用AccuPyc 1 330型全自动真密度分析仪测试
(如Ag)，利用低温润滑剂与摩擦化学反应原位生成高 复合材料的密度；采用MH-5-VM显微硬度计(上海恒
温润滑剂的协同来实现宽温域内的连续润滑 [9-12] . 然 益)对复合材料进行硬度测试，在载荷为3 N、停留时
而宽温域(RT~1 000 ℃)内机械性能和摩擦学性能优 间为5 s的条件下进行，每个试样至少测量10次以减小试
化统一的材料尚不多见. 因此，本文作者以镍为基体， 验误差并给出平均值；利用X射线衍射仪(D8-Discover，
对材料进行强度设计和摩擦磨损设计，添加Cr、Mo、 40 kV)在2θ为10°~80°范围内对复合材料进行物相分
Al和Ta为强化元素，Ag为润滑剂，并通过粉末冶金方 析；利用扫描电子显微镜(SEM，ApreoS)和能谱仪
法制备材料，发展宽温域内具有高强度和连续润滑功 (EDS)分析复合材料的微观组织结构、元素分布、断口
能的复合材料 . 研究Ta和Ag的加入对镍基合金微观 形貌和磨损表面显微组织等.
[13]
组织结构和宽温域(RT~1 000 ℃)内机械和摩擦学性 采用Instron 5582型万能材料试验机测试镍基复
能的影响及规律，揭示复合材料宽温域内的自润滑机 合材料在RT、400、800和1 000 ℃ 下的拉伸性能，试验

表 1 复合材料的组成成分、密度及硬度
Table 1 Composition of Ni-base composites and mechanical properties

Composition
Composite Density/ (g/cm ) 3 Vickers hardness，HV
w(Ni)/% w(Cr)/% w(Mo)/% w(Al)/% w(Ta)/% w(Ag)/%
NC balance 5 5 5 0 0 7.64 487.42±14.79
NCT balance 5 5 5 5 0 6.45 424.02±11.27
NCA balance 5 5 5 0 10 7.97 214±11.3
NCTA balance 5 5 5 5 10 7.21 309.54±17.97