一种TiAl基高温自润滑合金材料及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高温自润滑合金材料，特别涉及一种TiAl基高温自润滑合金材料及其在制作推力关节轴承方面的应用。
【背景技术】
[0002]随着航空航天、军用车辆等技术的飞速发展，高温高速运动带来的副的润滑、摩擦磨损问题已引起广泛地关注。在高温时，普通材料已经满足不了足够高的刚度和强度等要求，抗疲劳性等方面都有一定程度的不足，特别是润滑油、润滑脂在高温下容易稀释，耐磨性能更是不能满足实际使用要求。
[0003]目前，国内外常用的合金基体为耐热合金，如Ni基高温合金、Co基高温合金及N1-Cr基合金等。其使用性能已经接近于极限，由于该类合金的密度相对较大，难以全面地满足未来高温材料的需求。
[0004]TiAl基合金具有比重轻和耐高温等优势，以TiAl基合金开发出高温自润滑抗磨材料，在工程中将具有广阔的应用前景。本发明专利的申请人自己申报的专利2012103936739公开了一种高温自润滑TiAl合金材料，该合金材料由TACN材料(48T1-48Al-2Nb-2Cr，即 Ti48A12Cr2Nb)和共晶体(BaF2-CaF2)构成，该材料当 CB 固体润滑剂添加量达到5%时，其弯曲强度达到619MPa，断裂韧性达到12.1MPa.m1/2;当润滑剂含量为10%时，弯曲强度为605Mpa，断裂韧性为11.3MPa.πι1/2，磨损率达到0.28X10 WN m、申请人在后续的实践中发现:该合金材料室温塑性较差，且高温耐磨性还需要进一步改善，其性能还不能满足目前实际工况中的性能要求，因此急需开发一种轻质、耐磨、耐高温、塑性好的高强度自润滑合金材料，以满足制作推力关节轴承的需要。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种TiAl基高温自润滑合金材料及其应用。该合金材料具有高温抗氧化性好、高温强度高、抗磨减摩、韧性好、密度低等优点，可以用这种合金材料制备推力关节轴承。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种TiAl基高温自润滑合金材料，其特征是，其组分及质量比为:主材料80% -95%和固体润滑剂5% -20% ;所述主材料由以下摩尔比的材料组成:(38%-42%)Ti^ (41%-45%)Al、5%Cr、8%Nb、3%V、0.5%B和0.5%A1203;所述固体润滑剂由CeFjP MoS2组成，二者的质量比为1:0.9-1.1。其化学成分式为:Ti (41-45)A15Cr8Nb3V0.5B0.5A1203/x (CeF3-MoS2)。
[0007]优选的，所述合金材料各组分质量比为:主材料89%和固体润滑剂11 %。
[0008]优选的，所述主材料由以下摩尔比的材料组成:40% Ti,43% Al,5% Cr,8% Nb、3% V、0.5% B 和 0.5% Α1203。
[0009]优选的，所述CeFjP MoS 2的质量比为1:1。
[0010]其制备方法为:按上述比例取各原料，经球磨、冷压成型、烘干箱中经300°C烘干处理，然后在立式真空热压烧结炉中进行热压成型。其中热压成型具体步骤为:0-600°C升温速度为10°C /min，在600°C时保温30min ;600-800°C升温速度为8°C /min，在800°C时保温 30min ;800-1000°C升温速度为 5°C /min，在 1000°C时保温 30min ; 1000-1300°C升温速度为8°C /min，在1300 °C时保温30min，在整个烧结过程中，对粉末施加的压力为45MPa。
[0011]本发明在TiAl基合金中加入V可以降低TiAl基合金的热膨胀系数，高组分Nb可以提高TiAl基合金抗氧化性，添加B元素具有细小片层间距的作用，进而提高了 TiAl合金材料的塑性；高硬度陶瓷核质点Al2O3弥散强化可以补偿固体润滑剂对基体强度的影响；CeF3-M0S2-合物具有低摩擦特性、高承载能力、良好的热稳定性、强的化学稳定性、抗辐照性、耐高真空性能等优点，固体在摩擦挤压及热应力等作用下析出，并能够拖覆在基体表面，形成一层较为完整的固体润滑膜，对基体起到保护作用，从而减少摩擦磨损。
[0012]本发明基体(当润滑剂含量为O时)抗拉强度达到625MPa，断裂韧性达到12.9MPa.m1/2，基体材料的延伸率达到5.9 %，磨损率达到0.27X 10 4mmN 1Hi \磨损率随着CeF3-MoS2固体润滑剂增加逐渐降低。当润滑剂含量为11 %时，其抗拉强度610MPa，其延伸率达到5.6%，断裂韧性达到14.5MPa.m1/2，磨损率降到最低，达到0.19X 10_4mmN 1Hi \摩擦系数比较小，且其机械能较好。本发明的TiAl基合金比专利2012103936739中Ti48A12Cr2Nb合金材料耐磨性、断裂韧性和延伸率均提高20%以上。
[0013]本发明所提供的推力关节轴承用上述TiAl基高温自润滑合金材料制备而成，不但便于加工，而且降低了重量，还延长了材料的使用寿命。同时采用这种零部件的工程机械也降低了重量，延长了使用寿命。
【附图说明】
[0014]图1为推力关节轴承内圈的结构示意图；
[0015]图2为推力关节轴承外圈的结构示意图；
[0016]图3为推力关节轴承整体的结构示意图；
[0017]图4为TiAl基合金材料延伸率随固体润滑剂含量变化趋势图；从图4可以看出:TiAl基合金材料延伸率随固体润滑剂含量的增加而降低；
[0018]图5为TiAl基合金材料磨损率随固体润滑剂含量变化趋势图；从图5可以看出:TiAl基合金材料磨损率随固体润滑剂含量的增加先降低后升高，润滑剂含量11%时最低；
[0019]图6为TiAl基合金材料断裂韧性随固体润滑剂含量变化趋势图；从图6可以看出:TiAl基合金材料断裂韧性随固体润滑剂含量的增加先升高后降低，润滑剂含量11%时达到最大；
[0020]图7为添加固体润滑剂含量为5%时TiAl基合金复合材料摩擦磨损试验的SEM图；其中，摩擦磨损的试验条件:600°C高温，干滑动摩擦磨损，接触压力为20MPa ;滑动速度为5m/s，干摩擦时间为1min ;从图7可以看出:固体润滑剂含量不足，成膜不完全；
[0021]图8为添加固体润滑剂含量为11%时TiAl基合金复合材料摩擦磨损试验的SEM图；其中，摩擦磨损的试验条件同上；从图8可以看出:材料表面形成一层较为完整的固体润滑膜，对基体起到保护作用；
[0022]附图标记:1、推力关节轴承内圈，2、推力关节轴承外圈。
【具体实施方式】
[0023]下面对本发明作进一步的详细说明。
[0024]本发明高温自润滑TiAl合金材料制备，选用Ti粉末、Al粉末、Cr粉末、Nb粉末、V粉末、B粉末、Al2O3粉末、CeF 3粉末和MoS 2粉末。
[0025]Ti粉末:Ti纯度为99.99%，密度为4.51g/cm，粒度为300目。
[0026]Al粉末:纯度为99.99 %，密度为2.69g/cm，粒度为300目。
[0027]Cr粉末:纯度为99.99 %，密度为7.22g/cm，粒度为300目。
[0028]Nb粉末:纯度为99.99 %，密度为8.57g/cm，粒度为300目。
[0029]V粉末:纯度为99.99%，密度为6.lg/cm，粒度为300目。
[0030]