Page 106 - 《摩擦学学报》2021年第3期

第 3 期 赵高攀, 等: 合金元素Ta、Ag对镍基合金机械性能和摩擦学性能的影响及机理研究 395

依据国标(GB/T 228.1-2010，GB/T 228.2-2015) 进行. 应形成了TaC. TaC陶瓷相具有高硬度(2 100 HV)和高
试样为薄板状，测试参数采用拉伸速率为屈服前 密度，但试验结果显示加入Ta后材料的硬度和密度降
0.3 mm/min，屈服后2.3 mm/min，为保证试验结果的可 低，其原因还有待深入分析. 而Mo则完全固溶进基体
重复性，测试3次后给出平均值. 采用MTS E45.105型 中，Al在高温烧结过程中部分氧化成Al O ，金属Ag在
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万能材料试验机对烧结后材料进行RT~1 000 ℃范围 烧结前后没有参与固相反应.
内的压缩强度测试，试验依据国标(GB/T 7314-2007)

进行，试样尺寸为φ6 mm×9 mm，应变速率为0.5 mm/min， Ni-based solution
Mo Ta
测量3次后取平均值. Ag Al 2 O 3
TaC
利用UMT-3型球-盘式高温摩擦磨损试验机测试
复合材料的摩擦磨损性能，固定的上试样为Al O 陶 Intensity/a.u. Composites
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NCTA
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瓷球(Φ 10 mm，HV 16.5 GPa)，下圆盘试样为Ni基复 NCA
NCT
NC
合材料(Φ 24 mm × 3 mm). 试验参数如下：载荷20 N， Mixed powder
NCTA
转速200 r/min，旋转半径5 mm，滑动时间60 min，大气 NCA
NCT
气氛，选择试验温度为室温、400和800 ℃. 摩擦测试的 NC
10 20 30 40 50 60 70 80
#
样品均经过800 的砂纸研磨，表面粗糙度在0.6 μm 2θ/(°)
左右，同一试样至少进行两次测试并取平均值，以保 Fig. 1 XRD patterns of Ni-based composites before and
证试验的重复性和可靠性. 摩擦系数由设备自带软件 after sintering
图 1 镍基复合材料烧结前后的XRD图谱
记录，磨损率的计算方法如下：

−1
ω = 2πRS N L −1 (1) 图2给出了四种镍基复合材料表面的BEI形貌照
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式中：ω为磨损率，单位mm /(Nm)；R为磨痕半径，单位 片，可以看出各复合材料的微观组织分布均匀.NC合
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mm；S为磨痕横截面积，单位mm ，可通过非接触式光 金包含灰色基体相和弥散分布的深灰色相，XRD和
学轮廓仪(MicroXAM-800)测量，为确保试验结果的可 EDS的结果表明灰色基体相是镍基固溶体，深灰色相
靠性，测量12个截面得到磨痕的平均轮廓面积；N为载 是Al O . NCT复合材料由灰色的镍基体相、深灰色
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荷，单位N；L为总滑动距离，单位m. 摩擦试验后，利用 Al O 相和白色颗粒相组成，XRD和EDS分析表明白
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SEM观察摩擦磨损表面形貌，并利用XRD和Raman光 色相是TaC相.NCA复合材料包含镍基体相、Al O 和
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谱(LabRAM- HR-Evolution)进一步分析磨损表面相组 连续分布的Ag. NCTA复合材料的微观组织由四种相
成的变化. 组成，分别为灰色镍基体相、深灰色Al O 相、白色颗
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粒状TaC相和连续分布的Ag相，其中Al O 、TaC和
2 结果与讨论 2 3
Ag均匀分布于基体中.

2.1 复合材料的微观组织和成分分析 2.2 复合材料的摩擦学性能
表1中列出了镍基复合材料的成分组成、密度及 图3给出了四种镍基复合材料在不同温度下的摩
硬度. 相比NC合金，可以看出Ta的加入(NCT)降低了 擦系数和磨损率. 可以看出材料的平均摩擦系数随温
材料的密度和显微硬度；单独加入Ag后(NCA)提高了 度的升高而降低，NC合金在宽温域内摩擦磨损性能
密度，但显著降低了其硬度；同时加入Ta和Ag元素后 最差，室温摩擦系数达到0.82，400 ℃时磨损率达到
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−4
(NCTA)降低了密度和硬度. 与NCA合金对比. NCTA 2.4×10 mm /(Nm)；Ta的加入(NCT) 使其在室温和中
密度降低，硬度提高. 温下的摩擦系数降低，而在800 ℃时略有增加；单独加
图1给出了镍基复合材料热压烧结前后的XRD衍 入Ag (NCA) 后明显降低了复合材料在宽温域内的摩
射图谱，衍射分析结果表明复合粉末在球磨过程中未 擦系数，尤其是室温和高温下的摩擦系数；同时引入
发生相变，由于球磨后粒径细化和合金化导致镍基体 Ta和Ag的复合材料(NCTA) 除了在室温下摩擦系数
相的衍射峰变宽. 热压烧结后镍基复合材料衍射图谱 较高外，在中高温下摩擦系数最低，800 ℃下摩擦系数
表明Ta和Mo元素衍射峰消失，但出现较为明显的 为0.24左右.
[14]
TaC的衍射峰，Liu等 表明Mo与石墨模具中的C发生 从图3(b)磨损率对比可以看出，室温下，NC材料
固相反应生成Mo C，类似地，Ta与石墨模具中的C反 硬度最高，摩擦系数和磨损率也较高，其原因可能是
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