纳米线为固体润滑相的TiAl基自润滑复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种以V2O5纳米线为固体润滑相的TiAl基自润滑复合材料及制备技术。
【背景技术】
[0002]相比于其它高温复合材料，TiAl基复合材料具有低的密度，优良的机械性能和热力学性能，被广泛地应用到航空、航天、汽车和先进制造工业中。然而，不理想的摩擦学性能限制了 TiAl基复合材料的进一步发展。通过向TiAl基复合材料中添加固体润滑剂制备TiAl基自润滑复合材料来提高TiAl基复合材料的摩擦学性能，已经得到国内外摩擦学界的认可。由于固体润滑相不仅具备优良的减摩抗磨性能，而且制备方法简单，能耗较低，使得TiAl基自润滑复合材料得到了快速发展。
[0003]目前用于制备TiAI基自润滑复合材料的传统的固体滑剂有石墨、MoS2、WS2、hBN、Ag、Sn和Pb等，是通过层状固体润滑剂在摩擦磨损的过程中通过层的分离来降低对复合材料的摩擦和磨损，或者通过软金属在磨痕表面产生塑性流动来提高复合材料的减摩抗磨性會K。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种以V2O5纳米线为润滑相的TiAl基自润滑材料及其制备方法，所得固体自润滑复合材料具有良好的摩擦学性能，而且制备过程易于控制，方法简单。
[0005]本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为:
[0006]一种以V2O5纳米线为润滑相的TiAl基固体自润滑复合材料，它由Ti单质、Al单质、Cr单质和B单质及V2O5纳米线制备而成，其中Ti单质、Al单质的摩尔比为I: (0.75-1)，Cr单质的摩尔数为Ti单质、Al单质总摩尔数的2-7%，B单质的摩尔数为Ti单质、Al单质总摩尔数的3-8%，Cr单质、B单质总摩尔数为Ti单质、Al单质总摩尔数的5-10% ,V2O5纳米线为Ti单质、Al单质、Cr单质和B单质总质量的5-10%。
[0007]按上述方案，所述Ti单质、A1单质、Cr单质和B单质J2O5纳米线均为粉末状。
[0008]按上述方案，所述V2O5纳米线平均长度在10-20μπι，直径在80-10nm，纯度在90%-99.9%。
[0009]一种以V2O5纳米线粉为新型润滑相的TiAl基自润滑复合材料的制备方法是:Ti单质、Al单质、Cr单质和B单质及V2O5纳米线按照上述比例混合均匀后，采用放电等离子烧结制备得到TiAl基自润滑复合材料。
[0010]优选地，上述以V2O5纳米线粉为新型润滑相的TiAl基自润滑复合材料的制备方法，更为具体的步骤如下:
[0011 ] I)备料:按照上述比例称取Ti单质、A1单质、Cr单质和B单质及V2O5纳米线；
[0012]2)混合球磨:将Ti单质、Al单质、Cr单质和B单质及V2O5纳米线进行球磨混合均勾或者振动混合均匀，得到配合料；
[0013]3)将步骤2)所得配合料进行放电等离子烧结工艺，得到以V2O5纳米线为固体润滑相的TiAl基固体自润滑复合材料。
[0014]优选地，上述以V2O5纳米线粉为新型润滑相的TiAl基自润滑复合材料的制备方法，更为具体的步骤如下:
[00? 5] I)备料:按照上述比例称取Ti单质、A1单质、Cr单质和B单质及V2O5纳米线；
[0016]2)混合球磨:将Ti单质、A1单质、Cr单质和B单质进行球磨混合均勾，得到混合料；将所得混合料与V2O5纳米线进行振动混合均匀，得到配合料；
[0017]3)将步骤2)所得配合料进行放电等离子烧结工艺，得到以V2O5纳米线为固体润滑相的TiAl基固体自润滑复合材料。
[0018]按上述方案，步骤2)中所述的球磨的转速为150-210转/分钟，球料质量比为5:1_8:1，球磨时间为2-2.5小时。
[0019]按上述方案，步骤2)中所述的振动的频率为50-60HZ，振动力为10000-12000N，振荡时间为30-50分钟。
[0020]按上述方案，步骤3)中所述的放电等离子烧结工艺为:升温速率为95-100°C/min，烧结温度为1100-1150°C;预压力为10-15MPa，烧结压力为30-40MPa;保温时间为10-15min，保护气体为惰性气体。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0022]1、本发明采用放电等离子烧结等工艺制备了以V2O5纳米线为固体润滑相的TiAl基自润滑复合材料，具有低凝聚力的V2O5纳米线剪切力较小，化学性质和物理性能稳定，易于与基体材料结合，使得TiAl基固体自润滑复合材料与V2O5纳米线结合良好，所得复合材料具有高纯度及良好的致密性，以及优良的摩擦学性能；
[0023]2、本发明中，V2O5纳米线的润滑性能表现在通过在摩擦磨损的过程中，形成不同的仿生摩擦层如草坪状(见图6)，以适应不同的加载力来减少固体自润滑复合材料的摩擦和磨损；
[0024]3、本发明所述制备方法的工艺简单，制备过程周期短，效率高且能耗低，工艺参数稳定、操作简单且易于控制，制备过程重复性好且结果稳定，可用于规模化、批量化和机械化生产。
【附图说明】
[0025]图1是本发明所采用的V2O5纳米线场发射扫面电镜照片。
[0026]图2是本发明所采用的V2O5纳米线XRD照片。
[0027]图3是本发明实施例2制得的一种以V2O5纳米线为固体润滑相的TiAl基自润滑复合材料磨痕的电子探针照片。
[0028]图4和5分别为室温条件下，本发明实施例1、2所制得以V2O5纳米线为固体润滑相的TiAl基自润滑复合材料的的摩擦系数曲线和磨损率曲线。
[0029]图6是V2O5纳米线在磨痕上的场发射扫面电镜照片。
【具体实施方式】
[0030]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
[0031]下述实施例中所采用的V2O5纳米线长度在10-20μπι，直径在80_100nm，纯度在95 % -99.9%，其电镜图和XRD图谱如图1和图2所示。
[0032]下述实施例中摩擦测试的条件为:载荷16N、滑动速度0.50m/s、滑移时间20min和摩擦半径3.5mm。
[0033]实施例1
[0034]一种以V2O5纳米线为润滑相的TiAl基固体自润滑复合材料，它由Ti粉、Al粉、Cr粉和B粉及V2O5纳米线粉制备而成，其中，Ti单质、Al单质的摩尔比为1:1，Cr单质的摩尔数为Ti单质、Al单质总摩尔数的2%，B单质的摩尔数为Ti单质、Al单质总摩尔数的3%，Cr单质、B单质总摩尔数为Ti单质、Al单质总摩尔数的5% ,V2O5纳米线的质量为Ti单质、Al单质、Cr单质和B单质总质量的5 %。
[0035]上述以V2O5纳米线粉为新型润滑相的TiAl基自润滑复合材料的制备方法，更为具体的步骤如下:
[0036]I)备料:按照上述比例称取Ti粉、Al粉、Cr粉、B粉和V2O5纳米线；
[0037]2)混合球磨:将Ti粉、Al粉、Cr粉、B粉及V2O5纳米线粉混合后置于振动混料机内干混，振动混料外罐为钢罐，内置聚四氟乙烯罐，振动频率为50Hz，振动力为11000N，振荡时间为35分钟，得到配合料；
[0038]3)将步骤2)所得配合料进行放电等离子烧结工艺，得到以V2O5纳米线为固体润滑相的TiAl基固体自润滑复合材料，其中放电等离子烧结工艺为:升温速率为95°C/