钛铝基自润滑材料的宽温域摩擦学特性研究

The project designs solid self-lubrication composites utilized in the wide temperature ranges from self-lubrication phases, enhanced phase and matrix material. The TiAl base self-lubrication composites are prepared by spark plasma sintering, which are consisted of TiAl intermetallic matrix, enhanced phase TiC prepared by in-situ synthesis, and doped & in-situ sythesized composite self-lubrication phases including Ti3SiC2, Ti2AlC, hBN, 38wt.%CaF2-62wt.%BaF2, MoS2 and C. The wide temperature range self-lubrication properties are realized by C & MoS2 at low temperatures, hBN & 38wt.%CaF2-62wt.%BaF2 at medium temperatures, and Ti3SiC2 & Ti2AlC at elevated temperatures. The synergistic self-lubrication effects & mechanisms, friction & wear mechanisms of the composite solid lubricants under different working conditions are studied. The models of interface microstructure and friction & wear mechanisms are also established. These results would be very meaningful to prepare intermetallic base self-lubrication composites with excellent self-lubrication properties in the wide temperature ranges, and investigate the synergistic self-lubrication mechanisms & models.

本项目从润滑剂组元、增强相及基体材料等方面设计宽温域固体自润滑材料，采用放电等离子烧结制备含Ti3SiC2、Ti2AlC、hBN、38wt.%CaF2-62wt.%BaF2、MoS2、C等复合固体润滑剂和增强相TiC的钛铝基固体自润滑复合材料，利用C和MoS2在低温段润滑、hBN和38wt.%CaF2-62wt.%BaF2在中温段润滑、Ti3SiC2和Ti2AlC在高温段润滑，以及增强相TiC来提高固体自润滑材料的耐磨性能。研究钛铝基宽温域固体自润滑材料在不同工况下多种润滑剂的协同润滑作用效应及机理，阐述其摩擦磨损机理，建立相应的界面和摩擦磨损机理模型。研究成果对性能优良的宽温域固体自润滑材料的制备、复合固体润滑剂的协调效应自润滑机理与模型的研究等都具有重要的意义。

固体自润滑复合材料不仅在极端工况下具有优秀的摩擦学性能，而且自我修复能力使其拥有较长的使用寿命，宽温域均具有良好摩擦学性能的固体自润滑复合材料已成为摩擦学领域的研究热点。TiAl金属间化合物具有比重轻、强度高，在高温时仍可保持足够高的强度和刚度，同时具有极高的抗氧化性，被认为是航空用发动机及汽车易耗部件理想的轻质结构材料，为了尽快满足航空航天、国防军工及各种工程器件领域对轻比重、高性能的高温结构材料的要求，以TiAl合金为基，开发出高性能的自润滑复合材料将具有重要的工程应用价值和科学研究意义。本项目从润滑剂组元、增强相及基体材料等方面设计宽温域固体自润滑材料，采用放电等离子烧结制备含Ti3SiC2、Ti3SiC2+MoS2、Ag+Ti3SiC2、MoS2、MoS2+Ag、Ag、Ag+MLG、MLG、Ag+MWCNTs、Ag+Ti3SiC2 +BaF2/CaF2、Ti2AlC+Ti3SiC2+MoS2+C、V2O5等一系列具有良好宽温域摩擦学特性的钛铝基固体自润滑材料。研究了润滑剂含量、组合、不同工况条件下钛铝基固体自润滑材料的协同润滑作用效应及机理，阐述其摩擦磨损机理，建立相应的界面和摩擦磨损机理模型。研究结果表明：组织均匀TiAl合金基体相+增强相+固体自润滑复合相是实现良好宽温域摩擦学特性的基础；协同润滑效益同样受工况条件的影响，包括对摩擦副、工作温度、载荷、滑动速度等。完整的摩擦界面结构包含表面润滑膜及晶粒细化硬质层是实现宽温域低摩擦低磨损的重要支撑，复合润滑相及增强相在摩擦界面层中的分布及组合直接影响自润滑材料的宽温域摩擦学特性。项目建立了特定润滑相及增加相的宽温域减摩抗磨模型。研究成果对性能优良的宽温域固体自润滑材料的制备、复合固体润滑剂的协调效应自润滑机理与模型的研究等都具有重要的意义。