[发明专利]一种高熵合金基自润滑复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

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

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℃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℃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

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℃）内具有良好自润滑性能同时兼具优异的强度和韧性。

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(Ag)、石墨（Gr）、二硫化钼（MoS₂）、氟化钙（CaF₂）、氟化钡（BaF₂）和氧化铈（CeO₂）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。

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。

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。

所述步骤1） 的球磨时间为4~6小时，球料比为3:1~5:1。

所述石墨模具材料为高强度石墨。

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℃/min~250℃/min，烧结温度为1050℃~1350℃，保温时间3min~15min，加压压力为5MPa~35MPa，直流脉冲比12:2~12:6。

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。

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

实施例1

一种组成为CoCrFeNi-8Ag-10(Gr/MoS₂)-5(CaF₂/BaF₂)-4CeO₂的高熵合金基自润滑复合材料制备步骤如下：