[发明专利]一种宽温域高熵合金基固体润滑复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种宽温域高熵合金基固体润滑复合材料的制备方法，该方法是：按质量百分数计，将85~95%的AlCoCrFeNi高熵合金粉末与5~15%的固体润滑剂粉末放入碳化钨球磨罐中，经机械球磨混合均匀，然后通过放电等离子烧结，即得宽温域AlCoCrFeNi高熵合金基固体润滑复合材料；所述固体润滑剂粉末是指h‑BN粉末和Ag粉末按等质量比混合所得的粉末。本发明高熵合金基固体润滑复合材料在室温到800℃的宽温度范围内具有优异的力学性能、自润滑性能和耐磨损性能等特点，并且制备工艺简单，容易实现批量生产。作为航空航天、军事、能源和汽车等工业领域中的高温机械运动传动部件具有重要应用价值。

技术领域

本发明涉及机械摩擦磨损与高温固体润滑材料领域，尤其涉及一种宽温域高熵合金基固体润滑复合材料的制备方法。

背景技术

有效解决工业机械运动/动力系统摩擦部件（轴承、发动机齿轮、旋转密封、高载传动部件等）在高温等极端工况环境下的摩擦和磨损问题是系统高效、可靠运行的关键。发展高性能高温固体润滑材料与技术是解决这一问题的最有效手段之一，是实现摩擦系统乃至整个机械装备可靠稳定运行的关键保障技术之一。高温固体润滑材料一般由高温基体相、强化相和润滑相组成，其中，耐高温基体是决定复合材料优良力学性能的基础，润滑相则赋予复合材料润滑功能，强化相起到增强补塑，提升抗磨性能的角色。

传统的金属材料高温热稳定性不足、强韧匹配度低，以其为基体制备的固体润滑复合材料由于固体润滑相的引入，复合材料往往面临高温力学性能的进一步降低，难以实现宽温域减摩耐磨性能与力学性能的统一。解决二者之间矛盾的有效手段之一是改进金属基体的高温化学稳定性、加工硬化能力和抗高温软化性能。高熵合金的出现，打破了传统合金设计中的单一主元理念。这种多主元的高浓度固溶体具有优异的四大效应，即晶格畸变效应、高熵效应、迟滞扩散和性能“鸡尾酒”效应。这些特性使得高熵合金表现出远超于传统合金的热稳定性和强韧匹配度，从而可以实现固体润滑复合材料力学和摩擦学性能的协调统一，获得真正具有实际使用价值的材料。

目前，以高熵合金为基体的高温固体润滑复合材料已经开展了一些初步研究。将镍包石墨-MoS₂或者Ag-CaF₂/BAF₂共晶引入CoCrFeNi高熵合金中，室温到800℃温度范围内复合材料的摩擦系数降低至0.45以下，磨损率维持在10^-5mm³/Nm数量级，同时具有较佳的力学性能（Mater Design. 2017;114:253-63；J Alloy Compd. 2017;725:700-10）。中国专利CN 108913974 A公开了一种兼备良好力学性能和自润滑性能的含硫高熵合金(M_xCoCrFeNiS_y)，其在室温到800℃的摩擦系数维持在0.4左右。此外通过向CoCrFeNi高熵合金中固溶具有较大原子半径的Al原子，可以显著促进晶格畸变并诱导软的FCC相向硬的BCC相转变，从而极大地提升材料的强度和硬度（J Alloy Compd. 2017;726:885-95）。另一方面，Al元素的引入有利于促进磨损表面在600℃以上的高温摩擦过程中形成富Al的保护性氧化层（Wear. 2019;428-429:32-44）。因此，AlCoCrFeNi高熵合金较CoCrFeNi高熵合金更适合作为固体润滑复合材料的基体相。AlCoCrFeNi-Ag固体润滑复合材料在室温到400℃具有优异的自润滑性能，同时，中低温润滑剂Ag的加入并未导致AlCoCrFeNi高熵合金内部出现孔隙、裂纹和偏析等缺陷；该复合材料室温维氏硬度为500HV，压缩屈服强度高达1GPa（Tribol Int. 2020;151:106444）。因此，在AlCoCrFeNi-Ag固体润滑复合材料的基础上引入合适的高温固体润滑剂，能够设计出兼具良好高温力学性能和宽温域减摩耐磨性能的固体润滑复合材料。