钴基高温自润滑复合材料的设计、制备及其摩擦磨损机理研究

The investigation of high-temperature self-lubricating composites with low friction coefficient and long lifetime is a critical factor that constraints the design of advanced aero-engine under high temperature, high load and high speed conditions. The developed high-temperature self-lubricating composites suffer from low service temperature, strength and self-lubricating imbalance, etc. in China. In this study, the Co matrix high-temperature continuous self-lubricating composites with high strength, low friction coefficient and high wear resistance are prepared by using a powder metallurgy technique over a wide temperature range. We will systematically study the compatibility and synergy among matrix, strengthening phases and solid lubricants. The law of alloying and phase composition of materials are studied. The influence of processing condition on the phase composition, mechanical and tribological properties is investigated. The optimal component, design principle and processing condition of composite will be confirmed. The effect of load, speed, temperature, tribo-couple, phase transition, etc. on the high-temperature tribological properties of composite is analyzed, and the wear failure mechanism is studied. The high-temperature tribological theory of Co matrix self-lubricating composite is founded, which is currently lack in China. We expect the proposal to provide a theoretical basis for the investigation of high-temperature self-lubricating composites. This work is to resolve the high-temperature tribological design basic theory of manufacturing advanced aero-engine that is part of national strategy.

高温、高载、高速条件下具有低摩擦长寿命的高温自润滑复合材料的研究已成为制约我国高性能航空发动机设计的关键因素。我国已研制的高温自润滑材料存在使用温度低、机械强度与自润滑性能失调等缺点。本项目拟采用粉末冶金技术研制宽温域条件下具有高强度、低摩擦和高耐磨性的钴基高温连续自润滑复合材料。探索材料合金化规律及相组成，研究材料基体、强化相和固体润滑相的复配原则与协同效应，研究制备工艺对材料的相组成、强度和高温摩擦学性能的影响，提出最佳的钴基高温自润滑复合材料的成分体系、设计原则及制备工艺方法。阐明载荷、速度、温度、对偶、相变等对材料的高温摩擦学性能的影响规律，揭示磨损失效机制，建立钴基自润滑复合材料的高温摩擦学理论。本项目的实施，将为我国高温自润滑复合材料的研究奠定理论基础，为动力装备的高温摩擦学设计提供技术支持。

本项目针对高温、重载等工况条件下，核电、航空、冶金等领域下的机械零部件的高温磨损问题，设计研制具有低摩擦长寿命的钴基高温自润滑复合材料，并结合多学科知识对其在高低温条件下的摩擦学性能进行了系统性的研究。所研制的复合材料可有效延长中高温零部件的服役寿命。首先对复合材料的合金基体体系进行了系统化研究，确定出适合于钴基高温抗磨复合材料的Co-Cr合金基体，并揭示了各类合金元素对材料的微结构和高温摩擦学性能的内在关系，确定出了最优的合金基体体系。在强化相的选择方面，分别就微米级和纳米级陶瓷颗粒进行了系统性研究。对适用于钴基合金体系的高低温固体润滑剂进行了全面的筛选和复配，得出了几组优异的固体润滑剂复配体系。综合以上各部分的研究，进一步优化了钴基自润滑复合材料的配方体系和制备工艺条件。分析并揭示了在高温磨损过程中各添加相对复合材料的微观结构、力学性能及高温摩擦学性能的作用。初步建立了钴基自润滑复合材料在高温条件下的润滑理论及磨损机理，这为钴基高温自润滑复合材料的实际应用和动力机械的高温摩擦学设计提供了理论指导。本项目整体上完成了项目研究计划，并取得了不错的研究成果。本项目资助发表高水平学术论文21篇，其中SCI收录论文11篇，EI收录论文4篇，中文核心6篇；发明专利3项（1项授权），软件著作权12项；获山西省科技进步二等奖1项（排名第三）；培养硕士研究生11名（4名在读）。其中所获专利“一种含硫酸锶钡的钴基高温自润滑复合材料及其制备方法”已实现转化，转让费20.00万元。