一种高熵合金基自润滑复合材料及其制备方法

一种高熵合金基自润滑复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高熵合金基自润滑复合材料，该复合材料以四元高熵合金CoCrFeNi为基体，以银、石墨、二硫化钼、氟化钙、氟化钡和氧化铈为润滑相；其中，银元素含量为2%?15%；石墨和二硫化钼含量之和为5%?10%，且石墨和二硫化钼含量相等；氟化钙和氟化钡含量之和为5%?10%，且氟化钙和氟化钡含量比为4:6；氧化铈含量3%?8%；余量为四元高熵合金CoCrFeNi，以上含量均为质量百分数。本发明还公开了该复合材料的制备方法。本发明所述复合材料在宽温域（室温至800℃）内具有良好自润滑性能同时兼具优异的强度和韧性。
【专利说明】
一种高熵合金基自润滑复合材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高熵合金基自润滑复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 金属基自润滑复合材料广泛应用于难以使用常规油脂润滑的机械零部件或高速、 重载、高温、真空、深冷、辐射等苛刻工况下服役的机械设备中。为了获得较低的摩擦系数， 金属基自润滑复合材料中通常需要添加较多的固体润滑剂，但过多的固体润滑剂必然会恶 化复合材料的力学性能，想要获得良好的自润滑性能必须牺牲一部分材料强度为代价。目 前广泛报道的主要是镍基复合材料。中国专利CN103540780B公开了一种高强度镍基高温自 润滑复合材料的制备方法，在室温至900°C下具有低摩擦磨损特性。美国专利US5034187公 开的PM200系列高温自润滑复合材料可与镍钴铬合金相摩擦时具有较低的摩擦系数。NASA 报道的PS304自润滑涂层在从室温至650°C与镍基高温合金相摩擦时具有较低的摩擦系数。 这些专利中为了获得良好的自润滑性能而牺牲了材料的强度，因此使用条件受到了强度的 限制。高熵合金具有优异的强度、硬度、塑性、韧性和耐磨性，且在高温下高熵合金存在明显 的迟滞扩散效应使得在高温环境中微观组织和相结构非常稳定，从而具有优异的力学性 能。因此以高熵合金为基体的自润滑复合材料在力学性能和自润滑性能之间可以达到良好 的统一。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于提供一种以高熵合金为基体、以固体润滑剂为润滑相的高熵合 金基自润滑复合材料及其制备方法。这种复合材料在宽温域(室温至800°C)内具有良好自 润滑性能同时兼具优异的强度和韧性。
[0004] -种高熵合金基自润滑复合材料，其特征在于该复合材料以四元高熵合金 CoCrFeNi为基体，以银(Ag)、石墨(Gr)、二硫化钼(M0S2)、氟化li(CaF2)、氟化钡(BaF2)和氧 化铈(Ce0 2)为润滑相；其中，银元素含量为2%-15%;石墨和二硫化钼含量之和为5%-10%，且 石墨和二硫化钼含量相等;氟化钙和氟化钡含量之和为5%-10%，且氟化钙和氟化钡含量比 为4:6;氧化铈含量3%-8%;余量为四元高熵合金CoCrFeNi，以上含量均为质量百分数。
[0005] 如上所述高熵合金基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于采用放电等离子烧 结技术(Spark Plasma Sintering，简称SPS)制备，包括以下步骤： 1) 称取CoCrFeNi、银、石墨、二硫化钼、氟化钙、氟化钡和氧化铈粉末在高能球磨机中进 行球磨得到分布均匀的混合粉末，然后将其装入石墨模具中； 2) 将石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行等离子活化烧结，烧结完成后随炉冷却至 室温获得块体状的高熵合金基自润滑复合材料。
[0006] 所述CoCrFeNi、银、石墨、二硫化钼、氟化钙、氟化钡和氧化铈粉末的纯度大于99%， 粒度小于0.076mm。
[0007] 所述步骤1)的球磨时间为4~6小时，球料比为3:1~5:1。
[0008] 所述石墨模具材料为高强度石墨。
[0009] 所述放电等离子烧结工艺参数为：真空度小于10Pa，升温速度50°C/min~250°C/ min，烧结温度为1050°01350°C，保温时间3min~15min，加压压力为5MPa~35MPa，直流脉冲 比12:2~12:6。
[0010] 根据本发明的目的和材料的成分设计，普通热压烧结工艺在制备过程中高熵合金 基体元素和添加相之间发生固相反应从而影响复合材料的力学性能。放电等离子烧结技术 是利用通-断式直流脉冲电流在粉末之间产生的高能量等离子体和放电冲击压力使得材料 在较低的温度下快速成形的一种新方法。由于该技术具有等离子体活化粉末颗粒表面、高 频冲击压力、焦耳热和电场扩散之间的耦合作用等特性，因此这种技术可以将本发明所述 的原料混合粉末在较低的温度下快速烧结成致密的块体材料，从而避免材料内部缺陷的形 成和杂质相的产生。
[0011] 与现有技术相比，本发明所述的自润滑复合材料采用了高熵合金作为复合材料的 基体，以高熵合金优异的力学性能弥补由于非金属相(润滑相)的添加导致强度和韧性的损 失，在保证优异力学性能的前提下复合材料在宽温域内仍然具有良好的自润滑性能。
【具体实施方式】 [0012] 实施例1 一种组成为CoCrFeNi-8Ag-10(Gr/MoS2)-5(CaF2/BaF2)-4Ce〇2的高熵合金基自润滑复 合材料制备步骤如下： (1)按质量百分比分别称取CoCrFeNi四元高熵合金粉末、银粉、石墨粉、二硫化钼粉、氟 化钙粉、氟化钡粉和氧化铈粉。其中银粉为10%，粒度不大于〇.〇38_;石墨粉为5%，粒度不大 于0.044mm;二硫化钼粉末5%，粒度不大于0.005mm;氟化钙粉2%，氟化钡粉3%，两者粒度不大 于0.019mm;氧化铺为4%，粒度不大于0.019mm;余量为CoCrFeNi四元高熵合金粉末，粒度不 大于0.076mm。所有粉末纯度均大于99%。将上述粉末装入高能球磨机进行球磨，球磨时间为 5小时，球料比为3:1。然后将混合好的粉末装入石墨模具中。
[0013] (2)将步骤(1)所述装好混合粉末的模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，其参 数为：真空度小于l〇Pa，升温速率120 °C/min，烧结温度1100 °C，保温时间5min，烧结压力 30MPa，烧结完成后随炉冷却。
[0014]本实施例获得的复合材料力学性能和摩擦学性能如表1所示。
[0015]摩擦磨损测试实验条件为:载荷5N，摩擦线速度为0.3m/s，摩擦对偶材质为氮化 硅，摩擦形式为球盘式。
[0016]表 1 CoCrFeNi-8Ag-10(Gr/MoS2)-5(CaF2/BaF2)-4Ce〇2 力学性能与摩擦学性能
实施例2 一种组成为CoCrFeNi -4Ag-6 (Gr/MoS2) -5 (CaF2/BaF2) -6Ce02的高熵合金基自润滑复合 材料制备步骤如下： (1)按质量百分比分别称取CoCrFeNi四元高熵合金粉末、银粉、石墨粉、二硫化钼粉、氟 化钙粉、氟化钡粉和氧化铈粉。其中银粉为4%，粒度不大于0.038mm;石墨粉为3%，粒度不大 于0.044mm;二硫化钼粉末3%，粒度不大于0.005mm;氟化钙粉2%，氟化钡粉3%，两者粒度不大 于0.019mm;氧化铺为6%，粒度不大于0.019mm;余量为CoCrFeNi四元高熵合金粉末，粒度不 大于0.076mm。所有粉末纯度均大于99%。将上述粉末装入高能球磨机进行球磨，球磨时间为 5小时，球料比为4:1。然后将混合好的粉末装入石墨模具中。
[0017] (2)将步骤(1)所述装好混合粉末的模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，其参 数为：真空度小于l〇Pa，升温速率220 °C/min，烧结温度1300°C，保温时间8min，烧结压力 30MPa，烧结完成后随炉冷却。
[0018] 本实施例获得的复合材料其力学性能和摩擦学性能如表2所示。
[0019]摩擦磨损测试实验条件为:载荷5N，摩擦线速度为0.3m/s，摩擦对偶材质为氮化 硅，摩擦形式为球盘式。
[0020]表2 CoCrFeNi-4Ag-6(Gr/MoS2)-5(CaF2/BaF2)-6Ce〇2力学性能与摩擦学性能
实施例3 一种组成为CoCrFeNi-8Ag-6(Gr/MoS2)-10(CaF2/BaF2)-8Ce0 2的高熵合金基自润滑复 合材料制备步骤如下： (1)按质量百分比分别称取CoCrFeNi四元高熵合金粉末、银粉、石墨粉、二硫化钼粉、氟 化钙粉、氟化钡粉和氧化铈粉。其中银粉为8%，粒度不大于0.038mm;石墨粉为3%，粒度不大 于0.044mm;二硫化钼粉末3%，粒度不大于0.005mm;氟化钙粉4%，氟化钡粉6%，两者粒度不大 于0.019mm;氧化铺为8%，粒度不大于0.019mm;余量为CoCrFeNi四元高熵合金粉末，粒度不 大于0.076mm。所有粉末纯度均大于99%。将上述粉末装入高能球磨机进行球磨，球磨时间为 5小时，球料比为5:1。然后将混合好的粉末装入石墨模具中。
[0021] (2)将步骤(1)所述装好混合粉末的模具置于放电等离子烧结炉中进行烧结，其参 数为:真空度小于1 〇Pa，升温速率150°C/min，烧结温度1150°C，保温时间1 Omin，烧结压力 30MPa，烧结完成后随炉冷却。
[0022]本实施例获得的复合材料其力学性能和摩擦学性能如表3所示。
[0023]摩擦磨损测试实验条件为:载荷5N，摩擦线速度为0.3m/s，摩擦对偶材质为氮化 硅，摩擦形式为球盘式。
[0024]表3 CoCrFeNi-8Ag-6(Gr/MoS2)-10(CaF2/BaF2)-8Ce〇2力学性能与摩擦学性能
【主权项】
1. 一种高熵合金基自润滑复合材料，其特征在于该复合材料以四元高熵合金CoCrFeNi 为基体，以银、石墨、二硫化钼、氟化钙、氟化钡和氧化铈为润滑相;其中，银元素含量为2%-15%;石墨和二硫化钼含量之和为5%-10%，且石墨和二硫化钼含量相等;氟化钙和氟化钡含 量之和为5%-10%，且氟化f丐和氟化钡含量比为4:6;氧化铺含量3%-8%;余量为四元高熵合金 CoCrFeNi，以上含量均为质量百分数。2. 如权利要求1所述高熵合金基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于采用放电等 离子烧结技术制备，包括以下步骤： 1) 称取CoCrFeNi、银、石墨、二硫化钼、氟化钙、氟化钡和氧化铈粉末在高能球磨机中进 行球磨得到分布均匀的混合粉末，然后将其装入石墨模具中； 2) 将石墨模具置于放电等离子烧结炉中进行等离子活化烧结，烧结完成后随炉冷却至 室温获得块体状的高熵合金基自润滑复合材料。3. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述CoCrFeNi、银、石墨、二硫化钼、氟化 钙、氟化钡和氧化铈粉末的纯度大于99%，粒度小于0.076mm。4. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述步骤1)的球磨时间为4~6小时，球料 比为3:1~5:1。5. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述石墨模具材料为高强度石墨。6. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述放电等离子烧结工艺参数为:真空度 小于10Pa，升温速度50°C/min~250°C/min，烧结温度为1050°01350°C，保温时间3min~ 15min，加压压力为5MPa~35MPa，直流脉冲比12:2~12:6。
【文档编号】C22C30/00GK105908049SQ201610443672
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】孟军虎, 张爱军, 韩杰胜, 苏博
【申请人】中国科学院兰州化学物理研究所