[发明专利]一种可磨耗自润滑铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种可磨耗自润滑铝基复合材料及其制备方法，可应用于航空发动机密封结构的研制。采用中频感应炉熔炼制备添加纳米级六方氮化硼(h‑BN)的铝基复合材料铸锭，通过气雾化工艺制备h‑BN增强铝基复合材料粉末，并使用优化后的激光选区熔化工艺成形h‑BN增强铝基复合材料及其结构。制备的铝基复合材料及其结构，具有可磨耗性，可在不损伤对磨零件的前提下，自身被磨损和刮削；而且，基体中分布的h‑BN相具有良好的润滑性能，在摩擦磨损过程中可作为润滑剂，大幅降低复合材料摩擦系数。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，涉及一种可磨耗自润滑铝基复合材料及其制备方法，主要用于航空发动机密封结构的研制。

背景技术

某型进口飞机发动机在定期检修时，发现其涡轮导向器密封圈出现局部磨损掉块现象，导致封严效果变差造成漏气损失，从而降低了发动机的燃油效率和工作性能。该部件材料是一种可磨耗自润滑材料，长期依赖进口，供货周期长，价格昂贵，易受贸易政策风险，配件供应不规律，导致大修时间延长，影响装机使用。

此部件工作于发动机涡轮部位，通过导向器间接承受燃气的气动力、气流脉动所造成的振动负荷，易产生局部磨损掉块，导致内外气流压差难以实现密封圈弹性压紧，因此必须更换新部件。而该部件是一种未知的添加陶瓷颗粒的铝基复合材料，含有陶瓷成分，由于界面结合性差，很难通过熔焊或钎焊的焊接方式对零件进行修复。同时该材料脆性较大，机械切削性能差，目前国内尚无直接通过该材料毛坯加工成形零件的方法。

以往研究表明，在金属基体中均匀分布纳米级别的陶瓷颗粒可以对复合材料的各项性能起到显著的增强效果。本发明针对上述零件技术需求，需要设计一种具有可磨耗自润滑性能的纳米氮化硼增强铝基复合材料。那么，如何采取可行的技术途径获得纳米氮化硼颗粒均匀分布的铝基复合材料是一个难点。而直接采用纳米级的六方氮化硼颗粒作为激光增材制造的原材料，在工艺上存在很大技术难点，无法实现顺利的铺粉以及成分精确控制。

发明内容

本发明的目的是：提供了一种可磨耗自润滑铝基复合材料及其制备方法，目的是提供一种纳米级或亚纳米级六方氮化硼增强的铝基复合材料，并解决目前纳米级的六方氮化硼颗粒无法作为激光增材制造原材料的技术问题。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一方面，提供一种可磨耗自润滑铝基复合材料，所述铝基复合材料为纯铝或铝基合金中均匀分布纳米级或亚纳米级六方氮化硼(h-BN)，其中纳米级或亚纳米级六方氮化硼质量占比10％～30％；所述铝基复合材料密度为2.5～2.8g/cm³。

进一步地，所述纳米级或亚纳米级六方氮化硼质量占比10％～15％。

另一方面，提供一种可磨耗自润滑铝基复合材料的制备方法，所述制备方法首先制备添加纳米级六方氮化硼的铝基复合材料铸锭，通过气雾化工艺制备纳米级六方氮化硼增强铝基复合材料粉末，并使用优化后的激光选区熔化工艺成形纳米级或亚纳米级六方氮化硼增强铝基复合材料。

所述制备方法步骤如下：

步骤一：铸锭制备：采用中频感应炉熔炼制备铝基复合材料铸锭，首先将纯铝或铝基合金熔化，加入纳米级六方氮化硼(h-BN)，采用搅拌器充分搅拌，最终凝固后制备出纳米级或亚纳米级h-BN陶瓷均匀分布的铝基复合材料铸锭；

步骤二：粉末制备：采用气雾化制粉工艺将步骤一中的铸锭制备成铝基复合材料粉末，粉末要求外观浅灰色；

步骤三：激光选区熔化成形：采用激光选区熔化成形方法制备六方氮化硼增强铝基复合材料制件，工艺参数为：激光功率140W～180W，扫描速率500mm/s～900mm/s，层厚30μm～40μm，扫描间距0.12mm～0.14mm，制件经荧光和X射线检测无裂纹和未熔合缺陷；

步骤四：热处理：采用热处理炉对制件进行热处理，制度为270℃～290℃，保温2h～3h，空冷，以消除内应力。