NiAl材料的摩擦磨损性能及氧化性能
文献类型：学位论文
| 作者 | 王振生 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-25 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 胡壮麒 |
| 关键词 | NiAl NiAl-Al2O3-TiC复合材料 共晶合金 摩擦磨损性能 自润滑 润滑膜 高温氧化 |
| 其他题名 | Investigation on friction and wear property as well as oxidation property of NiAl materials |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 本文以探索NiAl材料的实际应用为目的，重点研究了NiAl材料的摩擦磨损性能以及在服役环境下的抗氧化性能，揭示了NiAl材料在摩擦磨损工况下作为耐磨自润滑材料所具有的潜在应用前景。 实验材料分别为，热压放热反应合成法（HPES）+热等静压法（HIP）制备的NiAl-Al2O3-TiC原位内生颗粒增强复合材料，真空感应熔炼工艺制备的二元NiAl合金及NiAl-28Cr-5.8Mo-0.2Hf，NiAl-28Cr-5.6Mo-0.15Hf-0.25Ho和NiAl-28Cr -6Mo-2S三种共晶合金，定向凝固工艺制备的NiAl-28Cr-5.94Mo-0.05Hf-0.01Ho定向共晶合金。借助于X射线衍射仪及扫描电镜等仪器，观察了NiAl材料的微观组织。NiAl-Al2O3-TiC复合材料中Al2O3和TiC颗粒呈不规则的球形团聚分布在NiAl基体中，复合材料致密度达到99.1%。NiAl单相合金的晶粒尺寸约为200μm。铸造NiAl-28Cr-6Mo型共晶合金由灰黑色NiAl相和灰白色Cr(Mo)相构成共晶，其中，Cr(Mo)相中析出大量细小颗粒状NiAl相，NiAl基体中析出大量细小颗粒状Cr(Mo)相，添加Ho和Hf元素后，相界上析出细小的白色相为Hf固溶体（或Ni2AlHf）相和Ni2Al3Ho相，添加S元素后，相界上析出黑色相为Cr2S3、Cr3S4、Cr5S6、Cr7S8以及CrS构成的CrxSy[（x/y）=（2/3）~1]型共晶体化合物。NiAl-28Cr-5.94Mo-0.05Hf -0.01Ho定向共晶合金中NiAl相和Cr(Mo)相也构成共晶，组织中有少量初生NiAl相和Hf固溶体相。 NiAl、NiAl-Al2O3-TiC复合材料及NiAl-28Cr-5.8Mo-0.2Hf共晶合金的室温摩擦磨损实验结果表明，NiAl材料的干摩擦磨损过程受控于其一定的压缩塑性变形，其室温压缩性能可以保证应用的可靠性。NiAl材料的抗磨损性能与材料的硬度和断裂韧性成正比，硬质陶瓷颗粒在磨损过程中可以有效的传递应力和起到支撑作用，减轻材料的磨损，故NiAl-Al2O3-TiC复合材料的抗磨损性能最好，其磨损率为相同工况下的NiAl-28Cr-5.8Mo-0.2Hf共晶合金的1/4~3/4和NiAl的1/20~1/10。摩擦系数随NiAl材料硬度的提高而降低。与淬火钢环配副时，NiAl材料的磨损机制主要是磨粒磨损机制，摩擦系数和磨损率较低；与退火钢环配副时，磨损机制是磨粒磨损和粘着磨损机制，摩擦系数和磨损率较高。 NiAl-Al2O3-TiC复合材料及NiAl-28Cr-5.6Mo-0.15Hf-0.25Ho和NiAl-28Cr -6Mo-2S两种共晶合金的高温摩擦磨损实验结果表明，NiAl材料在700~900℃下，摩擦表面生成了1~3μm厚的玻璃陶瓷润滑膜，产生了高温持久自润滑耐磨性能。该润滑膜可向SiC表面转移，形成玻璃陶瓷/玻璃陶瓷的摩擦状态，消除NiAl材料与SiC之间的直接接触。润滑膜的形成与摩擦表面温度有重要关系。当摩擦表面温度达到镍的剧烈氧化温度时，表面的NiAl材料生成Ni、Al、Cr等氧化物颗粒，而脱离表面的NiAl材料磨屑在SiC盘的反复碾压下，也很快发生断裂、碎化和动态氧化而生成Ni、Al、Cr等氧化物粉末，并通过摩擦化学反应形成玻璃陶瓷润滑膜覆盖在摩擦表面。随着温度的升高，NiAl材料和润滑膜的强度降低，润滑膜的剥落加剧，磨损率升高。超过900℃，SiC微凸体压入润滑膜，摩擦系数升高。 低于700℃下，在SiC微凸体或Al、Cr氧化物颗粒的犁削作用下，NiAl-Al2O3- TiC复合材料和NiAl-28Cr-5.6Mo-0.15Hf-0.25Ho共晶合金发生严重的磨粒磨损，摩擦系数和磨损率较高。NiAl-28Cr-6Mo-2S共晶合金中的CrxSy型共晶体化合物相可变软或熔化，在200~400℃的磨损过程中，形成由纳米CrxSy型共晶体化合物晶粒构成的较完整的润滑膜覆盖在摩擦表面，具有自润滑性能。该润滑膜也可向SiC表面转移，消除共晶合金与SiC之间的直接接触。110℃下，CrxSy型共晶体化合物成膜能力不足，摩擦系数较高。500℃和600℃下，CrxSy型共晶体化合物变软，SiC微凸体或Al、Cr氧化物颗粒的犁削作用导致磨损率和摩擦系数升高。 NiAl-28Cr-5.6Mo-0.15Hf-0.25Ho共晶合金在700~900℃下氧化程度很轻，有较好的抗氧化性能。700℃和800℃下共晶合金表面形成由Cr2O3和Ni2Mo3O8构成的很疏松的氧化膜，900℃下共晶合金表面形成由Cr2O3和θ-Al2O3构成的较疏松的氧化膜，沿NiAl/Cr(Mo)相界发生了较严重的内氧化。氧化初期，MoO3的挥发造成共晶合金在700℃有明显的失重现象，随着氧化的进行，共晶合金表面的Mo浓度降低，Cr的氧化增重逐渐增加，共晶合金的氧化增重逐渐为正。 NiAl-28Cr-5.94Mo-0.05Hf-0.01Ho定向共晶合金在900~1150℃下表面生成了连续的Al2O3氧化膜，具有良好的抗氧化性能。定向共晶合金中均匀分布的微量稀土元素Ho以及NiAl相中较高的Cr含量和Cr(Mo)相中较高的Al含量，有利于定向共晶合金表面生成连续的Al2O3氧化膜。900℃下定向共晶合金表面形成由θ-Al2O3和Cr2O3组成的氧化膜，1000℃的氧化膜由θ-Al2O3、α-Al2O3和Cr2O3组成，随着氧化温度的继续升高，θ-Al2O3和Cr2O3减少，α-Al2O3增多，1100℃的氧化膜主要由α-Al2O3和Cr2O3组成，1150℃的氧化膜则主要由细小、致密的α-Al2O3组成，而且氧化膜与合金基体之间形成了富Cr层。在氧化过程中，表面氧化膜存在着-Al2O3→-Al2O3的相变过程。在较低温度和/或氧化初期，表面形成了快速生长的亚稳态-Al2O3，而在较高温度和/或氧化后期，则形成了生长速度缓慢的-Al2O3，氧化产物的形貌也由针状或片状转变为等轴状，这一相变过程导致1000℃下氧化增重出现反常现象。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 120 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17238]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王振生. NiAl材料的摩擦磨损性能及氧化性能[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。