NiCrW基高温合金自润滑复合材料的制备及摩擦学性能研究

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由于冶金设备中的机械部件长时间在高温、高速和高重载等恶劣的服役环境下工作,迫切需要开发出同时具备良好的机械性能和摩擦学性能的新型材料。本文以镍基高温合金为基体,添加不同的固体润滑剂MoS2、Ag和V2O5,通过粉末冶金工艺制备出NiCrW基自润滑复合材料,并采用T1000高温摩擦磨损试验设备研究了镍基复合材料在室温至600℃之间的摩擦磨损性能。利用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能量色散光谱仪和激光拉曼光谱仪等设备分析摩擦磨损试验前后材料表面的成分和组织,系统的研究了自润滑复合材料在较宽温度范围内的摩擦磨损和自润滑机理。主要结果如下:1、以MoS2为固体润滑剂,以NiCrW合金为基体,利用粉末冶金工艺制备出NiCrW/MoS2自润滑复合材料。随着MoS2含量的增加,复合材料的密度降低,孔隙率增加,而硬度先增加后降低。复合材料在烧结过程中润滑相MoS2发生了部分分解生成CrS。含有10wt.%MoS2复合材料在各个温度下的摩擦学性能均达到最佳,其摩擦系数和磨损率分别在0.36-0.55和(4.5-8.1)×10-5mm3·N-1m-1的区间内。在室温和300℃下,MoS2提供主要的减摩性能,而在600℃高温下,主要的润滑相为CrS以及NiO、MoO3等金属氧化物。2、以MoS2和Ag为固体润滑剂,以NiCrW合金为基体,利用冷压烧结工艺制备出NiCrW/MoS2/Ag自润滑复合材料。复合材料的密度因MoS2的添加而降低,随着Ag含量的增加而增加,孔隙率和硬度因MoS2的添加而增大,随着Ag含量的增加而降低。在室温至600℃下,添加MoS2和Ag含量分别为8wt.%和10 wt.%时,此时的复合材料拥有较低的摩擦系数0.34-0.52和较低的磨损率(3.8-6.0)×10-5mm3·N-1m-1,其具有最佳的摩擦学性能。在室温和300℃,复合材料的低摩擦系数是MoS2和Ag发挥协同润滑作用的结果。在600℃,主要的润滑相是在磨损过程中发生摩擦化学反应生成的钼酸银(AgMoxOy)、CrS,还有少量的NiO,使复合材料在高温下的摩擦系数大大降低。因此固体润滑剂MoS2和Ag的协同润滑效应使镍基自润滑复合材料具有较佳的室温至高温的摩擦磨损性能。3、以MoS2和Ag为室温至中温固体润滑剂,以V2O5为高温固体润滑剂,以NiCrW合金为基体,粉末冶金冷压烧结工艺制备出NiCrW/MoS2/Ag/V2O5自润滑复合材料。随着V2O5含量的增加,复合材料的密度降低,孔隙率增加,而硬度先增加后降低,V2O5含量为6wt.%的复合材料具有最高的硬度。当添加含量为8wt.%MoS2、10 wt.%Ag和6wt.%V2O5的固体润滑剂时,复合材料在各个温度下均具有较佳的摩擦磨损性能,特别在600℃时摩擦系数仅为0.22,磨损率为4.5×10-5mm3·N-1m-1。在室温和300℃中温下,MoS2和Ag发挥主要的润滑功能。在600℃高温下,MoS2和Ag的减摩性能失效,而V2O5、钼酸银(AgMoxOy)以及少量的CrS在摩擦化学作用下发挥主要的润滑作用。
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