本發(fā)明涉及一種以石墨烯和鈦硅碳(Ti₃SiC₂)為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料及其制備方法。

背景技術：

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術尤其是航空、航天技術的迅速發(fā)展，一些在極端工況條件如高溫、高載、強輻射等環(huán)境下的運動部件對于潤滑材料的耐高溫、耐磨損等性能提出了越來越高的要求。因而迫切需要發(fā)展固體潤滑技術，以解決傳統(tǒng)潤滑材料在苛刻工況下的潤滑失效問題。固體自潤滑材料因在高溫、高載等苛刻環(huán)境下仍具有良好的減磨耐磨作用而受到國內(nèi)外學者的廣泛關注。Ni₃Al金屬間化合物因具有熔點高、抗蠕變強度大、耐腐蝕及高溫抗氧化性能強等特點，已被廣泛應用于航空、冶金、機械、環(huán)保工業(yè)等領域。但Ni₃Al金屬間化合物的室溫塑性低、斷裂韌性差，這些特點限制了其在工業(yè)上的應用。因而，如何進一步提高Ni₃Al金屬間化合物在苛刻條件下的摩擦學性能來滿足工業(yè)使用的要求變得非常重要。

Ni₃Al作為一種高溫結(jié)構(gòu)材料，在近幾十年得到了廣泛的研究。但由于Ni₃Al金屬間化合物存在熔點較高、室溫塑性低及低溫易脆的特點，使得采用傳統(tǒng)熔煉法制備的成本較高，同時后續(xù)的材料加工不便，使其在工程應用上受到一定的制約。此外，針對我國節(jié)能減排、降低污染的趨勢，不僅對先進工程材料的減摩耐磨性能，而且對材料的制備加工技術也提出了更高的要求，有必要進一步研究新型的固體自潤滑材料制備技術。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術存在的不足而提供一種以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料及其制備方法，石墨烯和Ti₃SiC₂原位復合在Ni₃Al基體中，所得的自潤滑材料具有優(yōu)良的摩擦學性能，且制備方法簡單新穎，工藝易控制。

本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為：

一種Ni₃Al基自潤滑材料，它以Ni₃Al為基體，以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相。其中，石墨烯的添加量為基體Ni₃Al質(zhì)量的(1.0-1.5)wt.％，Ti₃SiC₂的添加量為基體Ni₃Al的(6.0-10.0)wt.％。

按上述方案，所述基體Ni₃Al中元素Ni和Al的摩爾比為3：1左右，優(yōu)選3：1。

上述以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料，它由含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末采用激光熔融沉積制備而成。該球形粉末由石墨烯、Ti₃SiC₂和Ni₃Al組成，石墨烯質(zhì)量為Ni₃Al質(zhì)量的(1.0-1.5)wt.％，Ti₃SiC₂的質(zhì)量為Ni₃Al的(6.0-10.0)wt.％；Ni₃Al中元素Ni和Al的摩爾比為3：1。

上述方案中，所述含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末，其制備方法包括如下步驟：

1)按Ni和Al摩爾比為3：1選取Ni粉、Al粉作為基體粉末；按Ni粉的Al粉總質(zhì)量的(1.0-1.5)wt.％和(6.0-10.0)wt.％，分別選取石墨烯粉末和Ti₃SiC₂粉末作為潤滑相和增強相粉末；將基體粉末、潤滑相和增強相粉末充分混合；

2)將步驟1)所得充分混合后的粉末在惰性氣體的保護下進行熔化，得到熔融合金液；

3)將熔融合金液進行霧化，霧化所得熔滴冷卻凝固后形成球形金屬粉末，即為所需的含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末。

上述方案中，步驟1)所述的粉末混合，采用振動混料；其中，振動頻率為45-55Hz，振動力為10000-12000N，振蕩時間為30-40min；

上述方案中，步驟2)所述惰性氣體優(yōu)選氮氣等。充入惰性氣體前，預先抽真空至真空度為<0.08Pa；充入惰性氣體后，其中含氧量<100ppm。

上述方案中，步驟2)中所述熔化的溫度為1100-1300℃。

上述方案中，步驟2)中霧化的具體方法為：首先啟動霧化轉(zhuǎn)盤，待霧化器運轉(zhuǎn)正常后，打開放液閥將熔融合金液放入霧化轉(zhuǎn)盤上，使旋轉(zhuǎn)盤處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在霧化器中將熔融合金液進行霧化。其中，旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為40000-50000r/min；熔融合金液流量1.2-2.0kg/min。

上述方案中，步驟3)所需的含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末進行篩選，粒徑優(yōu)選控制在15-50μm范圍內(nèi)。

上述以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料，它由含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末采用激光熔融沉積制備而成。具體制備方法包括如下步驟：選取含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末，加入到送粉設備中，采用激光熔融沉積工藝將其在激光的高溫下燒結(jié)為金屬液，然后通過逐層疊加的方式，得到以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料。其中，送粉設備的粉末輸出方式為同軸送粉；激光熔融沉積工藝為：激光功率4-6kW，掃描速率0.8-1.2m/min，送粉率700-1000g/h，掃描層厚為0.06-0.08mm。

本發(fā)明所得以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料經(jīng)三個實施例的摩擦實驗，結(jié)果表明其在摩擦磨損過程中體現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學性能，摩擦系數(shù)較小(平均值約0.23-0.27)，且波動幅度較小，磨損率為2.8-3.3×10^-5mm³/(Nm)。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明所述的Ni₃Al基自潤滑材料采用含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末為原料，石墨烯和Ti₃SiC₂原位復合在Ni₃Al基體中，所得的Ni₃Al基自潤滑材料性能優(yōu)良，純度高，能有效降低材料在滑動過程中的摩擦系數(shù)和磨損率，具有穩(wěn)定優(yōu)良的摩擦學性能。

2、本發(fā)明采用激光熔融沉積的方法制備Ni₃Al基自潤滑材料，制備周期較短，后續(xù)加工簡便，從而提高了制備效率，節(jié)約能源，有效地降低了制造自潤滑材料的成本。

3、本發(fā)明制備方法簡單新穎，制備過程中工藝參數(shù)容易控制且可行性高；本發(fā)明所需原材料價格適中，來源廣泛，制備含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末所需設備成本較低，制備工藝簡便易操作，節(jié)能環(huán)保，適合規(guī)模化廣泛應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的制備工藝流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例1所制備的含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末的掃描電鏡照片，放大倍數(shù)為1000倍。

圖3是本發(fā)明實施例2制得的以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料在摩擦磨損實驗后得到的磨痕的電子探針照片。

圖4為室溫條件下，測試本發(fā)明實施例1、2、3所制得的一種以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料的摩擦系數(shù)曲線，測試條件為：載荷10N、滑動速度0.3m/s、時間50min、摩擦半徑5mm。

圖5為室溫條件下，測試本發(fā)明實施例1、2、3所制得的一種以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料的磨損率測試結(jié)果，測試條件為：載荷10N、滑動速度0.3m/s、時間50min、摩擦半徑5mm。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明不僅僅局限于下面的實施例。

下述實施例中，所述的一種以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料由含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末制備而成。本發(fā)明提供一種具體制備方法，但是不限定其制備方法，其他方法制備得到的符合本發(fā)明所述要求含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末、Ni₃Al基自潤滑材料也屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提供含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末的制備方法包括如下步驟：

1)按Ni：Al摩爾比為3：1選取基體粉末Ni粉、Al粉，分別按Ni粉、Al粉總質(zhì)量的(1.0-1.5)wt.％和(6.0-10.0)wt.％選取石墨烯粉末和Ti₃SiC₂粉末，并將粉末充分混合；

2)將熔煉室與霧化室抽到預定的真空度后，充入惰性保護氣體，使環(huán)境含氧量達到預定值；將步驟1)所得充分混合后的粉末加入高溫熔煉爐中熔化為熔融合金液；

3)啟動霧化轉(zhuǎn)盤，待霧化器運轉(zhuǎn)正常后，打開放液閥將步驟2)所得熔融合金液放入霧化轉(zhuǎn)盤上，使旋轉(zhuǎn)盤處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；在霧化器中將熔融合金液進行霧化，霧化熔滴在霧化室中冷卻凝固形成球形金屬粉末；

4)將金屬粉末收集于接收罐，待球形金屬粉末充分冷卻至室溫后按粒徑要求進行篩分，即為所需的含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末。

其中，振動混料采用的振動頻率為45-55Hz，振動力為10000-12000N，振蕩時間為30-40分鐘；預定的真空度為<0.08Pa，惰性保護氣體為氮氣，預定的含氧量<100ppm，高溫熔煉爐溫度為1100-1300℃；旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為40000-50000r/min，熔融合金液流量1.2-2.0kg/min；球形粉末粒徑要求為15-50μm。

由圖2可知：上述制備的含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末為單顆粒的球狀，單顆粒的直徑為15-50μm，符合激光熔融所需的粉末粒徑要求。

實施例1

一種以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料，以Ni₃Al為基體，以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相；其中Ni和Al的摩爾比＝3：1，石墨烯的添加量為Ni₃Al質(zhì)量的1.0wt.％，Ti₃SiC₂的添加量為Ni₃Al質(zhì)量的6.0wt.％。

如圖1所示，上述以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料由含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末制備而成，制備方法具體包括如下步驟：

1)按Ni：Al的摩爾比＝3：1選取Ni粉0.9千克、Al粉0.1千克，以及石墨烯粉末10克、Ti₃SiC₂粉末60克；將Ni粉、Al粉和石墨烯粉末、Ti₃SiC₂粉末混合，得到配料；

2)將上述配料置于振動混料機內(nèi)干混，振動混料外罐為鋼罐，內(nèi)置聚四氟乙烯罐，振動頻率為45Hz，振動力為10000N，振蕩時間為30分鐘；將粉末充分混合后加入溶煉爐中；

3)將熔煉室與霧化室抽至真空度<0.08Pa，充入惰性保護氣體氮氣，使環(huán)境含氧量<100ppm；將步驟2)所得充分混合后的粉末加入高溫熔煉爐中熔化為熔融合金液，高溫熔煉爐溫度為1100℃；

4)啟動霧化轉(zhuǎn)盤，待霧化器運轉(zhuǎn)正常后，打開放液閥將步驟3)所得熔融合金液放入霧化轉(zhuǎn)盤上，合金液流量1.2k g/min；使旋轉(zhuǎn)盤處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為40000r/min；在霧化器中將熔融合金液進行霧化，霧化熔滴在霧化室中冷卻凝固形成金屬粉末；

5)將金屬粉末收集于接收罐，待粉末充分冷卻至室溫后，按粒徑范圍為15-50μm的要求進行篩分，得到所需的含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末；

6)將步驟5)所得含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末(按預期成品Ni₃Al基自潤滑材料重量的3倍稱取)加入激光熔融沉積設備中，激光熔融沉積工藝為：激光功率4.0kW，掃描速率0.8m/min，送粉率700g/h，掃描層厚為0.06mm，經(jīng)激光燒結(jié)成型，得到以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料。

經(jīng)過HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度儀測試，實施例1所制備的以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料，其硬度為6.83GPa，相對密度為99.6％。圖4(a)和5(a)表明：本實施例制備的Ni₃Al基自潤滑復合材料的摩擦系數(shù)較小(平均值約0.27)，且波動幅度較小，磨損率為3.3×10^-5mm³/(Nm)，體現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學性能。

實施例2

一種以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料，以Ni₃Al為基體，以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相；其中Ni和Al的摩爾比＝3：1，石墨烯的添加量為Ni₃Al質(zhì)量的1.25wt.％，Ti₃SiC₂的添加量為Ni₃Al質(zhì)量的8.0wt.％。

如圖1所示，上述以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料由含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末制備而成，制備方法具體包括如下步驟：

1)按Ni：Al的摩爾比＝3：1選取Ni粉0.9千克、Al粉0.1千克和石墨烯粉末12.5克、Ti₃SiC₂粉末80克；將Ni粉、Al粉和石墨烯粉末、Ti₃SiC₂粉末混合，得到配料；

2)將上述配料置于振動混料機內(nèi)干混，振動混料外罐為鋼罐，內(nèi)置聚四氟乙烯罐，振動頻率為50Hz，振動力為11000N，振蕩時間為35分鐘；將粉末充分混合后加入溶煉爐中；

3)將熔煉室與霧化室抽至真空度<0.08Pa，充入惰性保護氣體氮氣，使環(huán)境含氧量<100ppm；將步驟2)所得充分混合后的粉末加入高溫熔煉爐中熔化為熔融合金液，高溫熔煉爐溫度為1200℃；

4)啟動霧化轉(zhuǎn)盤，待霧化器運轉(zhuǎn)正常后，打開放液閥將熔融合金液放入霧化轉(zhuǎn)盤上，合金液流量1.6kg/min；使旋轉(zhuǎn)盤處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為45000r/min；在霧化器中將熔融合金液進行霧化，霧化熔滴在霧化室中冷卻凝固形成金屬粉末；

5)將金屬粉末收集于接收罐，待粉末充分冷卻至室溫后，按粒徑范圍為15-50μm的要求進行篩分，得到所需的含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末；

6)將步驟5)所得含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末加入激光熔融沉積設備中，激光熔融沉積工藝為：激光功率5.0kW，掃描速率1.0m/min，送粉率850g/h，掃描層厚為0.07mm，經(jīng)激光燒結(jié)成型，得到一種石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料。

經(jīng)過HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度儀測試，實施例2所制備的以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料的硬度為6.96GPa，相對密度為99.5％。由圖3所示的Ni₃Al基自潤滑材料在摩擦磨損實驗后得到的磨痕圖可知：磨痕表面光滑平整。圖4(b)和5(b)表明本實施例制備的Ni₃Al基自潤滑復合材料的摩擦系數(shù)較小(平均值約0.23)，并且波動幅度小，磨損率為2.8×10^-5mm³/(Nm)，體現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學性能。

實施例3

一種以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料，以Ni₃Al為基體，以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相；其中Ni和Al的摩爾比＝3：1，石墨烯的添加量為Ni₃Al質(zhì)量的1.5wt.％，Ti₃SiC₂的添加量為Ni₃Al質(zhì)量的10.0wt.％。

如圖1所示，上述以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料由含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末制備而成，制備方法具體包括如下步驟：

1)按Ni：Al的摩爾比＝3：1選取Ni粉0.9千克、Al粉0.1千克和石墨烯粉末15克、Ti₃SiC₂粉末100克；將Ni粉、Al粉和石墨烯粉末、Ti₃SiC₂粉末混合，得到配料；

2)將上述配料置于振動混料機內(nèi)干混，振動混料外罐為鋼罐，內(nèi)置聚四氟乙烯罐，振動頻率為55Hz，振動力為12000N，振蕩時間為40分鐘；將粉末充分混合后加入溶煉爐中；

3)將熔煉室與霧化室抽至真空度<0.08Pa，充入惰性保護氣體氮氣，使環(huán)境含氧量<100ppm；將充分混合后的粉末加入高溫熔煉爐中熔化為熔融合金液，高溫熔煉爐溫度為1300℃；

4)啟動霧化轉(zhuǎn)盤，待霧化器運轉(zhuǎn)正常后，打開放液閥將熔融合金液放入霧化轉(zhuǎn)盤上，合金液流量2.0kg/min；使旋轉(zhuǎn)盤處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為50000r/min；在霧化器中將熔融合金液進行霧化，霧化熔滴在霧化室中冷卻凝固形成金屬粉末；

5)將金屬粉末收集于接收罐，待粉末充分冷卻至室溫后，按粒徑范圍為15-50μm的要求進行篩分，得到所需的含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末；

6)將步驟5)所得含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末加入激光熔融沉積設備中，激光熔融沉積工藝為：激光功率6.0kW，掃描速率1.2m/min，送粉率1000g/h，掃描層厚為0.08mm，經(jīng)激光燒結(jié)成型得到一種以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料。

經(jīng)過HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度儀測試，實施例3所制備的以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料的硬度為6.92GPa，相對密度為99.4％。圖4(c)是室溫條件下，測試本發(fā)明實施例3所制得以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料的摩擦系數(shù)曲線，可知該自潤滑復合材料的摩擦系數(shù)較小(平均值約0.26)，且波動幅度小。圖5(c)表明實施例3制備出的Ni₃Al基自潤滑材料的磨損率為3.1×10^-5mm³/(Nm)?？芍緦嵤├苽涞囊允┖蚑i₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑復合材料表現(xiàn)出了優(yōu)良的摩擦學性能。

根據(jù)上述三個實施例的實驗結(jié)果，表明本發(fā)明所得以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料在摩擦磨損過程中體現(xiàn)出優(yōu)良的摩擦學性能，摩擦系數(shù)較小(平均值約0.23-0.27)，且波動幅度較小，磨損率為2.8-3.3×10^-5mm³/(Nm)。

綜上所述，本發(fā)明按添加比例選取石墨烯和Ti₃SiC₂粉末加入到基體粉末Ni粉和Al粉中，采用振動混料、高溫熔融、旋轉(zhuǎn)盤離心霧化的工藝技術，制備出一種具備單顆粒結(jié)構(gòu)的含石墨烯和Ti₃SiC₂的Ni₃Al基球形粉末材料；然后采用激光熔融沉積的方法制備出以石墨烯和Ti₃SiC₂作為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料。本發(fā)明所得以石墨烯和Ti₃SiC₂為潤滑相和增強相的Ni₃Al基自潤滑材料，其純度高、致密性好，具有優(yōu)良的摩擦學性能，在摩擦磨損過程中的摩擦系數(shù)和磨損率較低；而且制備過程中所涉及的步驟方法簡單便捷，適用于規(guī)?；可a(chǎn)。

本發(fā)明所列舉的各原料都能實現(xiàn)本發(fā)明，以及各原料的上下限取值、區(qū)間值都能實現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明的工藝參數(shù)(如溫度、轉(zhuǎn)速、激光功率、送粉率等)的上下限取值以及區(qū)間值都能實現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實施例。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進和變換，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。