用微量Cu改善鎳基合金的磨損性能

  鎳基合金是各種新型發動機的渦輪盤件材料。在實際使用過程中,特別是在無水冷工況時,工件工作溫度明顯上升,會出現磨損加劇的情況,導致失效。為此,改善鎳基合金在熱態下的磨損性能十分重要。研究表明,向Ni基合金中添加微量的Cu可細化鎳基合金的晶粒,能生成NiCu相和CrCu相并牢靠鑲嵌在基體中,起潤滑作用,改善鎳基合金的磨損性能。科研工作者利用粉末冶金技術將微量銅與鎳基合金結合,明顯改善了材料的減磨、耐磨和自潤滑等摩擦性能。他們將純銅粉和鎳基合金粉末通過行星式球磨機充分混合后,采用粉末燒結技術制備了銅鎳基合金。

  對加了銅的鎳基合金與未加銅的鎳基合金作的對比試驗表明,添加銅后鎳基合金隨磨損溫度升高摩擦因數持續降低至較低水平,而未加銅的鎳基合金在160℃后摩擦因數較之前增大,且磨損曲線波動較大。當溫度從40℃升至160℃時鎳基合金的摩擦因數逐漸降低,但當溫度為200℃~240℃時其摩擦因數又會變大;對比之下,添加銅后合金的摩擦因數降至0.2245,磨損曲線波動較小,且隨溫度升高摩擦因數仍降低,在240℃時摩擦因數約為0.0748。上述情況是由于添加銅后可以提高鎳基合金的韌性,同時生成含銅的耐磨相,在磨損過程中起到潤滑的作用,使得摩擦因數降低;而且在200℃~240℃時,磨損所生成的氧化膜仍未被破壞,即使磨損溫度上升摩擦因數仍會下降。

  鎳基合金在不同溫度下的磨損犁溝明顯,120℃后其磨損表面就有少量白色磨屑掉落,160℃后磨損表面磨屑明顯增加并開始發生開裂。在200℃~240℃時磨損表面有大量白色磨屑,且磨損表面發生開裂;而銅鎳基合金在40℃和80℃時磨損表面有輕微的犁溝,隨磨損溫度升高,磨損表面的犁溝越來越輕微,在240℃時磨損表面仍能保持穩定態勢。這是因為鎳基合金在200℃~240℃時,由于缺乏潤滑,在摩擦熱的作用下合金與對磨件相互接觸在磨損過程中發生黏著及咬合現象,隨著磨損的進行,合金與對磨件咬合得越來越緊,氧化膜受到破壞,硬質相發生剝落,造成二次磨損現象;而銅鎳基合金中的鎳銅相、鉻銅相對表面起到潤滑和減磨作用,基體中均勻分布的硬質相牢靠的鑲嵌在基體中,在磨損過程中不容易斷裂和剝落,熱態磨損時生成的致密氧化膜保持在一個相對穩定的狀態,減緩了磨損。

  顯微組織檢測與相分析證實,加入銅后組織變得細小而均勻,細密的組織使得合金的性能得以改善。同時,添加的Cu元素在鎳基合金中與Ni、Cr生成NiCu相、CrCu相以及含銅的CuNiSi相,在磨損過程中起滑動和減磨作用,提高了合金的磨損性能。試驗也表明,當Cu含量超過1%后合金的磨損性能又會降低,這是因為過多的Cu含量使基體變軟而不能起到很好的支撐耐磨相的作用。可見,純銅粉末的加入量為1%時效果較為理想。