原位合成高强度镍硅基复合材料及苛刻环境下的摩擦学性能研究

Ocean tribology is a new research field of tribology. At present, tribological problems originated from the ocean equipment in harsh ocean environments are becoming new challenges. So, the research and development of new materials in sea water service is inevitable, which possess excellent corrosion and wear resistant properties. In this project, we aim to systematically study: (1) in situ preparation of Ni3Si base composites reinforced by alloying elements and ceramic using a powder metallurgy technique, which possess excellent corrosion and wear resistant properties in seawater environment; (2) the composition and optimal process of the composites will be defined, the formation and strengthening mechanisms of the composites will be illuminated; (3) the effect of composition on structure and mechanical performance; (4) the effect of composition on tribological behaviors of the composites in seawater condition; (5) the regulation of the physical chemistry changes during corrosive wear processes; (6) the relationship among the structure, performance and wear mechanism of the composites; (7) the failure mechanism of corrosion and wear during the friction process. The research results will be deeper understanding of the tribological behavior of the composites under corrosion environments, and enrich tribological theory. Besides, it is helpful to research and develop corrosion-resistance and wear-resistance material, and provide theoretical guidance and technical support for solving practical application problems in seawater environment.

海洋摩擦学是一个新兴的摩擦学研究领域，海洋装备在苛刻海洋环境中的摩擦学问题是当前面临的新挑战，所以研究和开发在海水环境下具有良好耐蚀和抗磨性能的新材料具有重要意义。本项目拟通过粉末冶金技术原位合成Ni3Si基复合材料，添加合金元素和陶瓷相，研制适用于海水环境下具有良好耐蚀抗磨性能的新型复合材料；确定复合材料的成分、烧结条件和热处理工艺；阐明复合材料的形成机制，以及陶瓷相的强化机制；研究各组元对复合材料结构和力学性能的影响；研究复合材料在海水介质中的摩擦学性能，分析各组元对摩擦学性能的影响；研究复合材料在腐蚀摩擦过程中发生的物理化学变化规律；揭示复合材料的结构、性能和磨损机理之间的内在关系；阐明腐蚀与磨损造成材料失效的作用机制。研究结果以期能够深入认识材料在腐蚀环境下的摩擦学行为规律，丰富摩擦学理论知识，为研究和开发耐蚀抗磨材料以及在海水环境下涉及到的摩擦学问题提供理论指导和技术支持。

随着人们对能源需求的不断增加，蕴含丰富资源的海洋成为人们关注的焦点。然而开发海洋资源离不开新型海洋工程材料的支持。金属间化合物具有高强度，耐腐蚀，抗氧化等优点，逐渐成为一种潜在的使役于苛刻环境下的新型结构材料。基于此，本项目着重研究Ni3Si基材料制备的新方法，以及其在海水环境，真空环境以及高温环境等苛刻环境下的摩擦学性能，并取得了一些重要的阶段性成果。研究结果表明，添加Cr元素的Ni3Si合金形成了脆性相Cr3Ni5Si2相，这尽管在一定程度上提高合金的摩擦学性能，但是导致合金的脆性显著增加，因此添加Cr元素并不利于Ni3Si合金整体性能的提高；采用粉末冶金法成功制备含Ti元素的Ni3Si合金，添加Ti元素后合金的硬度略有下降，但其抗压强度却有所提高，同时由于形成了Ni3Ti相，其摩擦系数和磨损率均低于纯Ni3Si合金。在海水环境下，添加Ti元素后合金的摩擦学性能略有下降，但是其摩擦系数仍处于0.2以下；当合金与氧化铝球配副时，其摩擦系数可低至0.1，磨损率可降低1个数量级，表现出在海水环境下优异的摩擦学性能。在高真空环境下，合金的摩擦系数较高，但是其在低真空下具有比空气环境下更低的摩擦系数和磨损率，表现出良好的低真空摩擦学性能。此外，合金在高温环境下的摩擦系数低于在室温环境下的摩擦系数，而且添加Ti元素后合金的磨损率在测试温度范围内均低于纯Ni3Si合金，表现出良好的高温摩擦学性能。在此基础上，采用粉末冶金法制备Ni3Si-TiC复合材料，复合材料中没有Ni3Ti相，但是其均具有低的干滑动摩擦系数，均处于0.3以下。复合材料的磨损率也处于较低水平，表现出良好的摩擦学性能。通过本项目的研究，采用新方法制备的Ni3Si材料在干滑动、海水以及真空环境下均表现出良好的摩擦学性能，这表明该材料在机械设备，海洋工程设备，航空航天材料等领域均具有较高的应用潜力，是一种极具发展潜力的结构材料。同时，本研究也丰富了摩擦学理论，推动了苛刻环境下摩擦学的发展，为研究和开发新型高性能装备提供理论指导和技术支持。