LICP OpenIR  > 固体润滑国家重点实验室(LSL)
镍基耐磨自润滑材料的制备、抗氧化及摩擦学性能研究
Alternative Title
曹四龙
Thesis Advisor周健松
2021-05-21
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Degree Name工学博士
Degree Discipline材料学
Keyword镍基复合材料 自润滑 高温氧化 摩擦学性能
Abstract本论文选用镍基合金作为基体相,通过陶瓷辅助相和多元润滑相的添加,利用SPS和激光熔覆技术设计制备了几种镍基耐磨自润滑复合材料,考察了合金基体以及复合材料的物相组成、微观组织、机械性能、高温抗氧化和摩擦学性能,讨论了不同温度条件下的磨损机理和润滑机制,获得了一些有价值的数据和结果,为解决镍基合金在工业领域应用中发生高温氧化和摩擦磨损失效的问题提供了理论指导和技术支持。主要研究内容和结论如下:1. 利用SPS技术制备了NiCrAlY和NiCoCrAlY块体合金,研究了合金的物相组成和微观结构对其机械性能、高温抗氧化和摩擦学性能的作用机制。结果表明:NiCrAlY中γ'-Ni3Al增强相的含量较高致力于更高的硬度,NiCoCrAlY的气孔缺陷较少,晶粒尺寸细小有利于更高的强度;NiCrAlY和NiCoCrAlY在1000°C氧化200h后,其氧化动力学符合抛物线规律,氧化速率常数分别为0.00662mg2·cm-4·h-1和0.00164mg2·cm-4·h-1,NiCoCrAlY表面形成了连续致密的α-Al2O3层,表现出更优异的抗氧化性能;高硬度的NiCrAlY相比于NiCoCrAlY在室温到800°C具有更低的摩擦系数和磨损率,NiCrAlY/Si3N4的磨损机理以粘着磨损为主,NiCoCrAlY/Si3N4的主要磨损机制是磨粒磨损。2. 利用SPS技术制备了NiCoCrAlY-Cr3C2-Ag-MoS2-LaF3-CeF3抗氧化自润滑复合材料,研究了其室温-800°C的磨损机理和润滑机制。结果表明:Cr7C3增强相和Ag、MoS2、LaF3、CeF3润滑相均匀分布于基体相周围;复合材料具有优良的力学性能主要是其组织均匀,γ-Ni(Cr/Co)固溶体、γ'-Ni3Al和Cr7C3增强相的含量较高;在室温条件下,Ag、MoS2和稀土氟化物协同润滑效应起到很好的减摩耐磨作用,多种钼酸银和金属氧化物形成了连续光滑的摩擦膜,阻止Si3N4球与复合材料之间的直接切削显著降低了600-800°C下的摩擦系数和磨损率,在400°C时,由于Ag和MoS2的氧化变质造成轻微的磨粒磨损;在室温-800°C,复合材料在多种润滑剂协同作用下表现出优异的自润滑性能。3. 利用激光熔覆技术制备了NiCrBSi合金涂层,研究了其微观结构、高温抗氧化和摩擦学性能。结果表明:NiCrBSi中较高含量的B、Si和C小原子主要以Cr7C3和Ni-B-Si共晶的形式分布于γ-Ni固溶体中;NiCrBSi在1000°C氧化200h后,其氧化动力学符合抛物线规律,氧化速率常数为0.07496mg2·cm-4·h-1,涂层表面由于无法形成连续致密氧化层表现出较差的抗氧化性能;在室温到400°C,NiCrBSi具有高的显微硬度和抗塑性变形能力表现出优异的耐磨性,当温度超过400°C时,Cr7C3和Fe2O3的疲劳脱落形成的硬质颗粒加剧了对氧化膜的切削破坏导致NiCrBSi发生严重的磨粒磨损。4. 利用激光熔覆技术制备了NiCrBSi-Cr3C2-Ag高硬度自润滑复合涂层,研究了其物相组成、微观结构和摩擦学性能。结果表明:单层NiCrBSi-Cr3C2-Ag涂层具有明显的宏观裂纹和严重的成分偏析,NiCr中间层的制备能够抑制缺陷的形成,促使Cr7C3和Ag颗粒均匀分散在γ-Ni基体中;由于Cr7C3以及Ni3B和Ni31Si12细小组织的形成使复合涂层的显微硬度和抗塑性变形能力相比于Cu合金基体分别提高了10倍和106倍;复合涂层的摩擦系数随载荷的增加均保持在0.25以下,磨损率比基体降低两个数量级,增强相Cr7C3和润滑Ag颗粒的均匀分布促使复合涂层表现出优异的自润滑性能。5. 利用激光熔覆技术制备了NiCrFeNbMo合金涂层,研究了其物相组成、微观结构、高温抗氧化和摩擦学性能。结果表明:NiCrFeNbMo由γ-Ni固溶体形成的细小树枝晶组成;在1000°C氧化200h后,其氧化动力学符合抛物线规律,氧化速率常数为0.013mg2·cm-4·h-1,Fe3O4大颗粒的脱落造成大量的空洞导致涂层表现出较差的抗氧化性能;在室温到400°C,NiCrFeNbMo发生严重的磨粒磨损和塑性变形,当温度超过400°C时,NiCrFeNbMo磨痕表面形成连续致密的氧化层起到减摩抗磨的作用,表现出较好的高温耐磨性。6. 利用激光熔覆技术制备了NiCrFeNbMo-Al2O3-TiO2-MoS2高温耐磨复合涂层,研究了Al2O3和TiO2含量对其物相、微观结构和摩擦学性能的影响机制。结果表明:复合涂层中晶粒尺寸细小的Ti3O5、Al2O3增强相和MoS2润滑剂均匀分布在γ-Ni固溶体中,当TiO2和Al2O3质量分数达到20%时则会造成物相晶粒粗大和Nb元素的严重偏析;高含量的Ti3O5和Al2O3有利于涂层高的硬度,但Nb元素和第二相的偏析不利于弹性模量和抗塑性变形能力的提升;在室温条件下,MoS2能起到良好的润滑作用,当温度达到400°C及以上时,更高含量Ti3O5和Al2O3的分布使涂层摩擦表面形成连续的氧化膜有利于摩擦学性能的改善,Si3N4配副表面在800°C形成了光滑的转移膜起到了润滑作用,NiCrFeNbMo-Al2O3-TiO2-MoS2涂层在室温-800°C表现出优异的摩擦学性能。7. 利用激光熔覆技术制备了NiCrMo合金涂层,研究了涂层微观组织、高温抗氧化和摩擦学性能。结果表明:NiCrMo由γ-Ni固溶体及少量的Ni3Mo金属间化合物形成的细小树枝晶组成;涂层的显微硬度随温度升高下降缓慢,表现出较好的热硬性;在1000°C氧化200h后,其氧化动力学符合抛物线规律,氧化速率常数为0.00195mg2·cm-4·h-1,表面生成由Cr2(MoO4)3和MoO3组成的致密氧化层表现出优异的抗氧化性能;在室温到400°C,NiCrMo涂层发生严重的磨粒磨损,随着温度升高至600°C,大量的氧化物及复合物形成了连续光滑釉质层起到减摩抗磨的作用,在1000°C磨痕表面氧化层发生剪切脱落导致磨损率升高。8. 利用激光原位合成技术制备了NiCrMo-TiC-MoSi2宽温域耐磨润滑复合涂层,研究了Ti3SiC2含量对涂层微观结构、机械性能和摩擦学性能的影响机制。结果表明:复合涂层中Ti3SiC2发生原位反应生成了MoSi2和TiC陶瓷相;随着Ti3SiC2含量的升高,Ti和Si元素发生富集,TiC和MoSi2晶粒尺寸增大,当Ti3SiC2质量分数达到30%时,粗大的花瓣状颗粒晶诱导了气孔和裂纹的出现;γ-Ni固溶体、TiC和MoSi2的形成显著提高了涂层的显微硬度和抗塑性变形能力;在室温到400°C,Ti3SiC2含量更高的涂层具有低的摩擦系数和磨损率,随着温度的升高,磨痕表面形成连续光滑的摩擦膜促使磨损率显著降低,当温度达到1000°C,Si3N4配副的Si元素向涂层磨痕表面发生粘着转移减小了氧化膜被剪切破坏的程度,NiCrMo-TiC-MoSi2复合涂层在室温-1000°C表现出优异的耐磨自润滑性能。
Other Abstract
MOST Discipline Catalogue材料科学与工程
Pages143
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.licp.cn/handle/362003/29119
Collection固体润滑国家重点实验室(LSL)
Affiliation1.中国科学院兰州化学物理研究所;
2.中国科学院大学
Recommended Citation
GB/T 7714
曹四龙. 镍基耐磨自润滑材料的制备、抗氧化及摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2021.
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