元素交互作用及热处理工艺对镍基自润滑合金高温机械性能和摩擦学性能的影响及机理

针对航空航天等领域对高温高强度自润滑合金的广泛需求，开展合金元素的交互作用及热处理工艺对镍基自润滑合金的高温机械性能和摩擦学性能的影响机制研究。在镍基体中添加不同含量的铼、钴、铝，通过合金元素调控及制备、热处理工艺优化，探索在高温下具有较高机械性能和良好摩擦学性能的镍基自润滑合金的元素组成和工艺条件；考察不同合金组元及热处理工艺的合金的高温机械性能和摩擦学性能，阐明其断裂机制和摩擦磨损机理，明确合金元素的交互作用及热处理工艺对镍基自润滑合金高温机械性能和摩擦学性能的影响机理和规律。提出在高温（800～1100℃）下具有较高机械强度和良好摩擦学性能的镍基自润滑合金的设计组配原则和制备工艺方法，为发展我国航空、航天等战略高技术领域迫切需求的高温高强度自润滑合金积累理论数据和提供技术支持。

本项目针对航空航天等领域对高温高强度自润滑合金的广泛需求，开展了合金元素的交互作用及热处理工艺对镍基自润滑合金高温机械性能和摩擦学性能的影响及其机理研究。首先考察了制备工艺（高能球磨+真空热压烧结）对Ni-Co-Al合金机械性能和摩擦学性能的影响，结果表明随球磨时间延长，粉末粒径减小，机械合金化程度提高；随烧结温度升高，合金的机械性能和摩擦学性能先升高后降低，在1200℃时达到最佳；随后考察了不同组元的Ni-Co-Al-Re合金室温及高温下的机械性能及摩擦学性能，阐明了合金的变形断裂机制及摩擦磨损机理，探讨了Co、Al、Mo、Re及其交互作用对合金显微组织、位错运动及强化机制、表面润滑膜及减摩抗磨机理等的影响，优化了元素含量。结果表明：摩擦过程中产生的氧化物“釉质层”起减摩抗磨作用，烧结工艺、元素含量等影响着“釉质层”的组成及其与基体结合的牢固程度，继而影响了摩擦学性能。随Al含量升高，合金的硬度升高，而密度和抗压强度降低，摩擦系数升高，磨损率降低。Mo添加到纳米晶NiAl金属间化合物中，可形成NiAl-Mo2C复合材料，随着Mo含量的升高，材料的显微硬度、密度、压缩强度提高，在Mo含量为8wt.%时达到最佳，且NiAl-Mo2C复合材料的摩擦学性能明显优于NiAl金属间化合物，其原因是摩擦过程中形成的MoO3和钼酸盐（如NiMoO4）起润滑作用。随Co含量的升高（5、10、20wt.%），球磨时间延长，强化相体积分数升高、尺寸减小，合金硬度、抗拉、抗压强度提高，摩擦系数和磨损率明显降低；当Co含量进一步升高至30wt.%，合金的机械性能和摩擦学性能又有所降低，这是由于随Co含量升高，润滑相CoO含量升高，但CoO含量过高，则由于其生长应力较高导致其易从表面脱落。由于Re价格高，综合考虑其成本及其对机械性能和摩擦学性能的影响，确定5wt.%为其最佳含量。因而Ni-20Co-5Al-5Re合金兼具高温下高的强度和良好的摩擦学性能。最后对该合金进行热处理，并考察热处理工艺对其显微组织及机械性能和摩擦学性能的影响，优化了该合金的热处理工艺。通过本项目的研究，提出了在高温（800～1100℃）下具有较高机械强度和良好摩擦学性能的镍基自润滑合金的设计组配原则和制备工艺方法，为发展我国航空、航天等战略高技术领域迫切需求的高温高强度自润滑合金积累了理论数据，并提供了技术支持。