CN103334030A

CN103334030A - 一种含石墨烯钛铝基自润滑复合材料及其制备方法

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Publication number: CN103334030A
Application number: CN2013102298839A
Authority: CN
Inventors: 史晓亮; 徐增师; 翟文正; 姚杰; 宋思远; 王莽; 章桥新; 王玉伏; 冯四平; 张崧
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan Sanmu Automotive Parts Co ltd
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103334030B

Abstract

本发明提供一种含石墨烯钛铝基自润滑复合材料及其制备方法。该方法包括如下步骤：1）按Ti：Al的摩尔比=1：1～1.5，选取Ti粉、Al粉；按石墨烯粉的加入量为Ti粉、Al粉总质量的1.5-4.5wt.%，选取石墨烯粉；然后添加石墨烯粉到上面的混合粉末中，得到配料；2）将上述配料进行湿磨，过筛，清洗后得到混合悬浊溶液；3）将上述混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥，得到预处理好的混合粉末；4）将预处理好的混合粉末置于石墨模具中，然后真空条件下采取放电等离子烧结方法，即烧结得到符合要求的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料。所制得复合材料晶粒细小、致密度高、综合性能优异，并在具有良好的摩擦学性能。本发明具有制备周期短、成本低、操作流程简单和适于规模化批量生产等特点。

Description

一种含石墨烯钛铝基自润滑复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料制备技术，尤其涉及一种含石墨烯钛铝基自润滑复合材料及其制备方法。

背景技术

TiAl合金兼具金属和陶瓷的优异性能，如高的比强度、比模量，良好的抗氧化性、抗蠕变性，优良的高温强度、刚度及低的密度，这些优良的性能使其成为航空航天领域、高温发动机等先进工作领域具有广泛应用前景的理想轻质结构材料（[1] 冯旭东, 袁庆龙, 曹晶晶, 苏志俊. TiAl 基合金研究进展[J]. 航天制造技术, 2009（3）: 35-38; [2] 曲选辉, 黄伯云, 吕海波, 等. TiAl有序合金研究综述[J]. 稀有金属材料与工程, 1991, (4):3-14.）。

现代航空、航天等先进工业领域等的发展使得结构材料的工况日益严峻，导致摩擦、磨损和润滑问题日益突出，因此迫切要求发展相适应的润滑剂和自润滑材料。固体润滑剂与传统的润滑油、润滑脂相比具有明显的优势，故通过在基体中添加固体润滑剂制备复合材料是目前解决摩擦润滑问题的一种有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含石墨烯钛铝基自润滑复合材料及其制备方法，该方法制备的复合材料具有优异的摩擦学性能，该方法工艺简单、工艺参数易控制。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种含石墨烯钛铝基自润滑复合材料，其特征在于，它由Ti粉、Al粉和石墨烯粉制备而成，其中Ti：Al的摩尔比=1：1～1.5，石墨烯粉加入量为Ti粉、Al粉总质量的1.5-4.5wt.%。

上述含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）按Ti：Al的摩尔比=1：1～1.5，选取Ti粉、Al粉；按石墨烯粉的加入量为Ti粉、Al粉总质量的1.5-4.5wt.%，选取石墨烯粉；

将Ti粉、Al粉混合，得到混合粉末，然后添加石墨烯粉到所述混合粉末中，得到配料；

2）将上述配料进行湿磨，过筛，清洗后得到混合悬浊溶液；

3）将上述混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥，得到预处理好的混合粉末；

4）将预处理好的混合粉末置于石墨模具中，然后真空条件下采取放电等离子烧结方法，即烧结得到所述含石墨烯钛铝基自润滑复合材料。

上述方案中，所述步骤2）中的湿磨步骤是将配料、酒精和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在球磨机中湿磨，湿磨时间为4-6小时。

上述方案中，球磨机转速为200-400转/分钟、球料质量比为10：1。

上述方案中，所述不锈钢真空球磨罐内真空度为12-20Pa。

上述方案中，所述步骤2）中的过筛步骤是通过300目不锈钢筛子过筛。

上述方案中，所述步骤3）所述的真空干燥的真空度为0.011-0.021MPa，干燥温度为60-70℃，干燥时间为5-7小时。

上述方案中，所述步骤4）中的石墨模具的内直径为20mm。

上述方案中，所述的放电等离子烧结工艺为：烧结温度为950-1000℃、升温速率为100-150℃/min、烧结压力为30-50MPa、真空度为1×10^-2-1×10^-1Pa、保温时间为4-8min。

本发明的有益效果是：

1、制备快捷、可行性高：制备过程中利用SPS进行材料的烧结，反应周期短，工艺参数稳定，能够快速地制备该复合材料，且该复合材料纯度高，具有宽温域响应、优良的综合性能等特性，并适用于规模化批量生产。

2、制备过程工艺步骤少，所需设备简单：具有原料来源广泛、价格较低、工艺简单、容易控制的特点。

3、在避免TiAl基复合材料颗粒表面污染及氧化问题基础上，采用SPS来制备致密度高，具有优异综合性能的含石墨烯TiAl基复合材料，可以降低烧结温度、缩短烧结时间，例如合成温度低950-1000℃，合成时间短4-8min，节约能源，降低合成成本。

4、本发明制备的含石墨烯钛铝基复合材料是一种新型自润滑复合材料。它是由TiAl基体、增强相和固体润滑剂均为石墨烯设计而成的高性能自润滑复合材料。

5、本发明制备的含石墨烯钛铝基自润滑复合材具有良好的摩擦学性能。

附图说明

图1是本发明的制备工艺流程图。

图2分别是石墨烯粉（a）和实施例1制备的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的断口FESEM照片(b)。

图3是本发明实施例1制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为2N条件下摩擦磨损表面的电子探针照片。

图4是本发明实施例1制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为4N条件下摩擦磨损表面的电子探针照片。

图5是本发明实施例1制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为6N条件下摩擦磨损表面的电子探针照片。

图6是本发明实施例1制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为8N条件下摩擦磨损表面的电子探针照片。

图7是本发明实施例1制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为10N条件下摩擦磨损表面的电子探针照片。

图8是测试本发明实施例1所制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率曲线，测试条件为：室温、滑动频率17.06Hz、时间40min、摩擦半径2mm、载荷2-10N。采用HT-1000高温摩擦磨损实验机，依据美国标准ASTM G99-95，摩擦副为直径6mm的Si₃N₄球（HV 15GPa，Ra0.02μm）。

图9是测试本发明实施例2所制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的动态摩擦系数曲线，测试条件为：室温、滑动频率17.06Hz、时间40min、摩擦半径2mm、载荷10N。采用HT-1000高温摩擦磨损实验机，依据美国标准ASTM G99-95，摩擦副为直径6mm的Si₃N₄球（HV 15GPa，Ra0.02μm）。

图10是本发明实施例2制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为10N条件下摩擦磨损表面的电子探针照片。

图11是测试本发明实施例3所制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的动态摩擦系数曲线，测试条件为：室温、滑动频率17.06Hz、时间40min、摩擦半径2mm、载荷10N。采用HT-1000高温摩擦磨损实验机，依据美国标准ASTM G99-95，摩擦副为直径6mm的Si₃N₄球（HV 15GPa，Ra0.02μm）。

图12是本发明实施例3制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为10N条件下摩擦磨损表面的电子探针照片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

如图1所示，含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，它包括如下步骤：

1)以Ti粉、Al粉为基体原料，石墨烯粉为固体润滑剂和增强相，按Ti：Al=1：1的摩尔比配金属间化合物TiAl基体预烧结粉料，称取6.395克Ti粉、3.605克Al粉，共计10g，然后添加0.15克石墨烯粉料到上述的混合粉末中，得到配料（配合料）；

2)将上述配料和钢球放在真空钢质球磨罐中，低真空条件下在行星球磨机上湿磨4小时；湿磨介质为酒精；其中：球磨机转速为200转/分钟、球料质量比为10：1、真空度12Pa；

3)将球磨后含钢球的混合浆料通过300目不锈钢筛子过筛清洗后，得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥（真空度为0.011MPa，温度为60℃，时间为7小时），得到预处理好的混合粉末；

4)将干燥好的粉末置于内直径为20mm的石墨磨具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结。其中烧结温度为950℃、升温速率为100℃/min、烧结压力为30MPa、保温时间4min、真空度为1×10^-2Pa，制备出含石墨烯钛铝基自润滑复合材料。

图2（a，b）分别是石墨烯粉（a）和实施例1所制备的钛铝基自润滑复合材料断口（b）的FESEM照片。图2（a）说明石墨烯表面存在着大量皱纹和皱褶，单层石墨烯厚度约为5-8nm。其透明度很高；图2（b）说明实施例1制备出的复合材料致密度高，石墨烯分布在基体晶界处或嵌入在基体中，保证含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的优异综合性能。采用维氏硬度仪测试实施例1所制备的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的硬度为HV₁ 662.4，依据排水法测试该复合材料的实际密度与理论密度计算相对密度为96.8%。图3至图7为实施例1制得含石墨烯钛铝基自润滑复合材料分别对应于载荷为2N、4N、6N、8N、10N的条件下的摩擦磨损表面的电子探针照片，图3至图7说明该复合材料摩擦磨损表面较光滑，保证其在载荷为2-10N区间内具有优良的摩擦学性能。另外，试样的磨损率可通过公式(1)（[11] M.Y. Niu, Q.L. Bi, J. Yang, W.M. Liu. Tribological performance of a Ni₃Al matrix self-lubricating composite coating tested from 25 to 1000℃. Surf Coat Technol, 2012, 206（19-20）:3938-3943.）计算得到：

Figure 2013102298839100002DEST_PATH_IMAGE001

(1)

式中：V代表磨损体积，P代表载荷，L代表滑动距离，ρ_w代表材料密度，M_w代表磨损的材料质量，W的单位是mm³(Nm)^-1。

图8是本发明实施例所制得含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的摩擦系数和磨损率曲线，图8说明该复合材料在载荷为2N条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.38和1.45×10^-4mm³/(Nm)，4N的摩擦系数和磨损率分别为0.37和1.68×10^-4mm³/(Nm)，6N的摩擦系数和磨损率分别为0.35和2.03×10^-4mm³/(Nm)，8N的摩擦系数和磨损率分别为0.34和2.33×10^-4mm³/(Nm)，10N的摩擦系数和磨损率分别为0.33和2.46×10^-4mm³/(Nm)，均表现出了优秀的摩擦学性能。

实施例2：

1)以Ti粉、Al粉为基体原料，石墨烯粉为固体润滑剂和增强相，按Ti：Al=1：1.3的摩尔比配金属间化合物TiAl基体预烧结粉料，称取5.771克Ti粉、4.229克Al粉，共计10g，然后添加0.30克石墨烯粉料到上述的混合粉末中，得到配料（配合料）；

2)将上述配料和钢球放在真空不锈钢球磨罐中，低真空条件下在行星球磨机上湿磨5小时；湿磨介质为酒精；其中：球磨机转速为300转/分钟、球料质量比为10：1、真空度16Pa；

3)将球磨球过筛清洗后得到混合浆料通过300目不锈钢筛子过筛清洗后，得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥（真空度为0.016MPa，温度为65℃，时间为6小时），得到预处理好的混合粉末；

4)将干燥好的粉末置于内直径为20mm的石墨磨具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结。其中烧结温度为980℃、升温速率为120℃/min、烧结压力为40MPa、保温时间6min、真空度为1×10^-1Pa，制备出含石墨烯钛铝基自润滑复合材料。

采用维氏硬度仪测试实施例2所制备的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的硬度为HV₁ 685.8，依据排水法测试该复合材料的实际密度与理论密度计算相对密度为97.3%。图9是实施例2制得含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为10N条件下动态摩擦系数曲线，图9说明该复合材料的摩擦系数波动幅度小、平均值约为0.35。另外，根据公式(1)计算出实施例2制备出的该复合材料的磨损率为2.74×10^-4mm³/(Nm)。故含石墨烯钛铝基自润滑复合材料表现出了优秀的摩擦学性能。图10为实施例2所制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为10N件下摩擦磨损表面的电子探针照片，图10说明该复合材料摩擦磨损表面较光滑，保证其具有优良的摩擦学性能。

实施例3：

1)以Ti粉、Al粉为基体原料，石墨烯粉为固体润滑剂和增强相，按Ti：Al=1：1.5的摩尔比配金属间化合物TiAl基体预烧结粉料，称取5.418克Ti粉、4.582克Al粉，共计10g，然后添加0.45克石墨烯粉料到上述的混合粉末中，得到配料（配合料）；

2)将上述配料和钢球放在真空钢质球磨罐中，低真空条件下在行星球磨机上湿磨6小时；湿磨介质为酒精；其中：球磨机转速为400转/分钟、球料质量比为10：1、真空度20Pa；

3)将球磨后含钢球的混合浆料通过300目不锈钢筛子过筛清洗后,得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥（真空度为0.021MPa，温度为70℃，时间为5小时），得到预处理好的混合粉末；

4)将干燥好的粉末置于内直径为20mm的石墨磨具中，然后真空条件下进行放电等离子烧结（SPS）。其中烧结温度为1000℃、升温速率为150℃/min、烧结压力为50MPa、保温时间8min、真空度为8×10^-2Pa，制备出含石墨烯钛铝基自润滑复合材料。

采用维氏硬度仪测试实施例3所制备的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的硬度为HV₁ 723.5，依据排水法测试该复合材料的实际密度与理论密度计算相对密度为97.6%。图11是实施例3制得含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为10N条件下动态摩擦系数曲线，图11说明该复合材料的摩擦系数波动幅度小、平均值约为0.33。另外，根据公式(1)计算出实施例3制备出的该复合材料的磨损率为3.01×10^-4mm³/(Nm)。故钛铝基自润滑复合材料表现出了优秀的摩擦学性能。图12为实施例3所制得的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料在载荷为10N条件下摩擦磨损表面的电子探针照片，图12说明该复合材料摩擦磨损表面光滑，保证其具有优良的摩擦学性能。

本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如温度、时间、真空度等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims

1.一种含石墨烯钛铝基自润滑复合材料，其特征在于，它由Ti粉、Al粉和石墨烯粉制备而成，其中Ti：Al的摩尔比=1：1～1.5，石墨烯粉加入量为Ti粉、Al粉总质量的1.5-4.5wt.%。

2. 如权利要求1所述的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

2）将上述配料进行湿磨，过筛，清洗后得到混合悬浊溶液；

3. 如权利要求2所述的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中的湿磨步骤是将配料、酒精和钢球放在不锈钢真空球磨罐中，在球磨机中湿磨，湿磨时间为4-6小时。

4. 如权利要求3所述的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，球磨机转速为200-400转/分钟、球料质量比为10：1。

5. 如权利要求3所述的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述不锈钢真空球磨罐内真空度为12-20Pa。

6. 如权利要求2所述的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中的过筛步骤是通过300目不锈钢筛子过筛。

7. 如权利要求2所述的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3）所述的真空干燥的真空度为0.011-0.021MPa，干燥温度为60-70℃，干燥时间为5-7小时。

8. 如权利要求2所述的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中的石墨模具的内直径为20mm。

9. 如权利要求2所述的含石墨烯钛铝基自润滑复合材料的制备方法，其特征在于，所述的放电等离子烧结工艺为：烧结温度为950-1000℃、升温速率为100-150℃/min、烧结压力为30-50MPa、真空度为1×10^-2-1×10^-1Pa、保温时间为4-8min。