一种自润滑钛铝复合材料的制作方法

本申请要求2018年2月26日提交的名称为“aselflubricatingtitaniumaluminidecompositematerial”的共同拥有和共同待审的美国临时申请系列号62/635,211的优先权，其整体通过引用并入本申请。

发明领域

本发明一般涉及掺杂有高温固体润滑剂的钛铝复合材料，所述钛铝复合材料呈现出改善的室温延展性、自润滑性和低摩擦系数，而不牺牲诸如低密度、低磨损、抗蠕变性和抗氧化性的有利特性。

发明背景

钛铝合金由于其高强度、轻质和低密度、以及其蠕变和氧化特性而成为航空航天和汽车工业中部件生产的合理选择。其轻质和低密度有助于减少航空航天和汽车应用中的结构重量。然而，钛铝合金具有低延展性，并且易于低温下脆性和断裂。这些缺点至少部分源于杂质(例如碳化物和氧化物沉淀剂)偏析到合金中的晶界，这会引起晶间断裂，进而导致部件失效。

基于前述内容，需要一种钛铝配方，其改善延展性并降低钛铝合金的断裂倾向，并具有改善的磨损和减少的摩擦，同时保持有利的重量、密度、蠕变和氧化性质。

本发明的实施方式解决了上述需求以及其他需求。

发明概述

本申请公开了一种钛铝复合材料，所述钛铝复合材料具有增加的室温(即，约20°f至25℃的正常环境温度)延展性。所述复合材料包括，但不限于，具有接近完全层状或完全层状微观结构的ti-al基质，所述ti-al基质由钛、铝、铌、锰、硼和碳组成。所述ti-al复合基质掺杂有至少一种高温固体润滑剂以形成钛铝复合材料。全部或部分由所述复合材料构成的部件通过粉末冶金或其他常规冶金过程制得。

本申请公开了一种复合材料，其包括合金基质和固体润滑剂，所述合金基质包括钛、铝、铌、锰、硼和碳。所述合金基质具有两相的至少接近完全层状的微观结构，且所述固体润滑剂分散在其中。

在一个实施方式中，所述复合材料按原子百分比计包括40.0％至50.0％的al，1.0％至8.0％的nb，0.5％至2.0％的mn，0.1％至2.0％的b和0.01％至0.2％的c。

在一个实施方式中，所述固体润滑剂以占所述复合材料的1％至30％的原子百分比存在于所述合金基质中。

在一个实施方式中，所述固体润滑剂包括mos2、zno、cuo、六方氮化硼(hbn)、ws2、agtao3、cutao3、cuta2o6或其组合。

在一个实施方式中，所述固体润滑剂作为离散的惰性颗粒基本上均匀地分布。

在一个实施方式中，所述层具有1μm的最大厚度。

在一个实施方式中，所述钛、铝、铌、锰、硼和碳几乎均匀地分布在整个合金基质中。

在一个实施方式中，所述复合材料具有最小为0.5％的室温(即环境温度)伸长率。

在一个实施方式中，所述复合材料在室温至高达800℃下具有小于0.065的摩擦系数。

在一个实施方式中，所述复合材料在室温至高达800℃下具有小于4.5x10^-4mm³·n^-1·m^-1的磨损率。

本申请公开了一种制备如上所述复合材料的方法，所述方法包括通过熔化过程、粉末冶金过程或其组合制备。

本申请公开了一种轴承，其具有外部构件和内部构件，所述内部构件与所述外部构件滑动接合。所述内部构件和/或所述外部构件包括复合材料，所述复合材料包括合金基质和固体润滑剂，所述合金基质包括钛、铝、铌、锰、硼和碳。所述合金基质具有两相的至少接近完全层状的微观结构，且所述固体润滑剂分散在其中。

在一个实施方式中，所述复合材料按原子百分比计包括40.0％至50.0％的al，1.0％至8.0％的nb，0.5％至2.0％的mn，0.1％至2.0％的b和0.01％至0.2％的c。

在一个实施方式中，所述复合材料按原子百分比计包括1％至30％的固体润滑剂。

在一个实施方式中，所述固体润滑剂包括mos2、zno、cuo、六方氮化硼(hbn)、ws2、agtao3、cutao3、cuta2o6或其组合。

在一个实施方式中，所述固体润滑剂作为离散的惰性颗粒基本上均匀地分布。

在一个实施方式中，所述层具有1μm的最大厚度。

在一个实施方式中，所述钛、铝、铌、锰、硼和碳几乎均匀地分布在整个合金基质中。

在一个实施方式中，所述复合材料具有最小为0.5％的室温伸长率。

在一个实施方式中，所述复合材料在室温(即，环境温度)至高达800℃下具有小于0.065的摩擦系数。

在一个实施方式中，所述复合材料在室温(即，环境温度)至高达800℃下具有小于4.5x10^-4mm³·n^-1·m^-1的磨损率。

附图说明

附图示出了所公开主题的实施方式，以用于说明本发明。然而，应当理解的是，本申请不限于附图中所示的精确设置和方式，其中：

图1是根据本发明实施方式的复合材料的微观结构示意图。

图2a是由根据本发明实施方式的图1的复合材料构成的衬套的透视图；

图2b是由根据本发明实施方式的图1的复合材料构成的球面轴承的透视图；

图2c是由根据本发明实施方式的图1的复合材料构成的滚珠轴承的透视图；

图2d是由根据本发明实施方式的图1的复合材料构成的擦垫(rubpad)的透视图；

图2e是由根据本发明实施方式的图1的复合材料构成的发动机部件的透视图；和

图3是由根据本发明实施方式的图1的复合材料构成的球面轴承的横截面图。

具体实施方式

如图1所示，本公开涉及一种复合材料100，其包括钛、铝、铌、锰、硼和/或碳的合金基质101和分散在其中的固体润滑剂106。所述合金基质101具有两相的至少接近完全层状的微观结构，且所述固体润滑剂106分散在其中。所述复合材料100是一种合金，所述合金可被加工成抗断裂、抗磨损、抗蠕变和抗氧化的低密度、低摩擦的部件，所述合金也不具有由于杂质偏析到晶界而引起的低温脆性。

所述复合材料100是由具有不同物理或化学性质的两种或更多种组成材料制成的材料，当所述两种或更多种组成材料组合时，其产生具有与各个组分不同的特性的材料。所述复合材料100在室温(约23℃(约73°f))下提供改善的延展性，从而使部分或全部由所述复合材料100制成的部件能够弯曲而非破裂或破碎。所述复合材料100具有最小为0.5％的室温伸长率，使其能够弯曲而非破裂或破碎。在一个实施方式中，所述复合材料100具有0.5-6.0％的室温伸长率。在另一个实施方式中，所述复合材料100具有1.0-5.5％的室温伸长率。在又一个实施方式中，所述复合材料100具有1.0-5.0％的室温伸长率。

本公开的复合材料100在室温至高达约800℃(1472°f)下呈现出小于约0.065的动态摩擦系数，这与润滑剂(如聚四氟乙烯(ptfe))的摩擦系数(约0.04-约0.12)一致，并且是对金属对金属应用中典型摩擦系数(约0.3-约0.6)的改进。因此，所述复合材料100能够显著改善烧结粉末金属成形的部件(即，复合材料100)的摩擦系数。如下面更详细地讨论的，特别是与典型的金属对金属设计相比，所述复合材料100的低动态摩擦系数在各种应用中提供减少的磨损和改进的对系统扭矩的控制。

此外，本公开的复合材料100在室温至高达约800℃下呈现出小于约4.5x10^-4mm³·n^-1·m^-1的比磨损率。

所述复合材料100是掺杂有一种或多种固体润滑剂106的钛铝合金基质。在一个实施方式中，所述复合材料100按总原子百分比计包括约40.0％至约50.0％的铝(al)，约1.0％至约8.0％的铌(nb)，约0.5％至约2.0％的锰(mn)，约0.1％至约2.0％的硼(b)，和约0.01％至约0.2％的碳(c)。

所述复合材料100具有ti-al基质101，并掺杂有固体高温润滑剂106，所述ti-al基质101具有接近完全层状或完全层状微观结构，所述固体高温润滑剂106赋予自润滑性质和改善的室温延展性。如本申请所述的术语“掺杂的”用于指将所述固体高温润滑剂106掺入所述复合材料100中的任何合适的工艺。如本申请所述的术语“自润滑”是指所述固体润滑剂106提供润滑性能(如低摩擦系数)而不需要补充润滑剂(如油脂或油)。所述复合材料100按原子百分比计包括约1％至约30％的固体润滑剂106。所述固体润滑剂106由mos2、zno、cuo、六方氮化硼(hbn)、ws2、agtao3、cutao3、cuta2o6等或其组合组成。所述固体润滑剂106在所述复合材料100中基本上均匀地分布，并且作为离散的惰性颗粒分散在所述复合基质101中。所述复合材料100的剩余组分基本上由钛(ti)组成。

所述钛铝合金基质101的微观结构是接近完全层状或完全层状的。所述钛铝合金基质101基本上由两相组成，α2层102(较亮区域)和γ相层104(较暗区域)。所述α2层102基本上由ti3al组成。所述γ层104基本上由tial组成。限制所述α2层102和γ层104的厚度以帮助保持所述复合材料100中的延展性。在一个实施方式中，所述α2层102和γ层104具有约0.1μm至约1μm的最大厚度。所述复合材料100的mn组分均匀地或接近均匀地分布在整个微观结构中。细颗粒(例如硼化物)存在于所述复合材料100内的相邻部分之间的边界处。

所述复合材料100通过冶金过程生产，例如熔化过程、粉末冶金等或其组合。因此，如上文所解释的，所述复合材料100可以有利地通过常规方法制得，并且可以用于制造用于广泛应用的任何所需形状的部件。用于制备所述复合材料100的工艺被设计为限制所述α2层102和γ层104的厚度，例如，在粉末冶金过程中在烧结步骤之后提高冷却速率。

所述复合材料100的微观结构被设计为优先捕获所述α2层102内而不是在合金的晶界处的与粉末冶金过程相关的杂质，例如碳、氧等。此外，所述复合材料100的晶界通过在这些晶界处析出tib2来细化。结合所述α2层102和γ层104的降低的厚度，所述复合材料100在室温下(即，约20至25摄氏度的环境温度)呈现出改善的延展性，克服了以前的钛铝合金的低温脆性和断裂倾向。

如图2a-2e所示，所述复合材料100适用于构造用于各种应用的部件，包括但不限于衬套(图2a)，例如在门、飞机起落架、涡轮发动机等中；球面轴承(图2b)，例如在飞机起落架、涡轮发动机、油阀和气阀等中；滚珠轴承(图2c)，例如在尾部转子、发动机齿轮箱、变速器等中；擦垫(图2d)，例如在涡轮发动机、耐磨板、管套等中；发动机部件(图2e)，例如在活塞等中；等等。在这方面，这些部件可以全部或部分地由所述复合材料100制成。图3中示出了示例性的球面滑动轴承300。所述球面滑动轴承300包括外部构件302和内部构件304，其中所述内部构件304至少部分地设置在所述外部构件302内。所述外部构件302包括内表面302s，并且所述内部构件304包括外表面304s。所述外部构件302和内部构件304经由内表面302s和外表面304s彼此滑动接合。所述外部构件302和内部构件304各自全部或部分地由所述复合材料100构成。虽然示出了所述球面滑动轴承300，但是在不脱离本公开发明的情况下，所述复合材料100可以被制成如上文所述的任何合适的构造。

尽管已经参考本发明的某些实施方式公开和描述了本发明，但是应该注意，可以进行其他变化和修改，并且所附权利要求旨在覆盖在本发明的真实范围内的变化和修改。