原位镍基高温自润滑复合厚涂层的制备和摩擦学性能研究

Research in high-temperature lubrication and wear-resistant materials is significant in the development of moving parts that work at high temperatures in the areas of aerospace, ordnance and equipment manufacture. However, at present the study in this area is less developed in China. Traditional high-temperature self-lubricating composites and coatings suffer from disadvantages including poor mechanical properties, coating layers being too thin, and weak binding between the coating and the substrate. In this proposal, we aim to develop in situ high-temperature self-lubricating thick composite coatings on nickel alloy substrate using a powder metallurgy technique. In more detail, we will systematically study (1) compatibility and interaction among matrix, solid lubricants and wear-resistance phases in the coatings; (2) effects of processing conditions on microstructures and mechanical and tribological properties of the coatings and optimization of the processing parameters; (3) composition and microstructure design principles and processing control methods of in situ high-temperature self-lubricating composite coatings over a wide temperature range suitable for different environments; (4) high-temperature friction and wear behavior laws of the thick coatings; (5) high-temperature lubrication mechanisms of the materials. We expect the following significant beneficial outcomes from this proposal: (1) deeper understanding of high-temperature lubrication and wear-resistance theory that is currently lack in China; (2) development of the theoretical foundation in advanced high-temperature self-lubricating composite materials and coatings; (3) development of the corresponding technical support for solving practical application problems in related fields.

高温润滑抗磨材料的研究对发展航空航天、兵器和装备制造等高温运动部件具有重大的理论意义和应用价值。目前，我国在高温润滑抗磨领域的研究相对落后。传统的高温自润滑复合材料和涂层存在力学性能差、涂层太薄以及基底和涂层结合较弱的缺点。本项目拟通过粉末冶金技术同时制备镍基合金基底及其宽温域高温自润滑原位厚复合涂层材料。研究涂层中基体成分、润滑相和抗磨相之间的相容性和相互作用，研究制备工艺条件对材料微结构和力学与摩擦学性能的影响，优化制备工艺参数，提出适合不同环境条件的宽温域镍基高温自润滑原位厚复合涂层材料的组分、结构设计原则和制备工艺控制方法，研究系统条件下高温自润滑原位厚复合涂层材料的摩擦磨损行为规律，揭示材料的润滑机理。本项目的成功实施，将深入认识高温润滑抗磨理论，为发展我国先进的高温自润滑复合材料和涂层奠定理论基础，为解决相关领域的实际应用问题提供技术支撑。

高温润滑抗磨材料和技术是航空航天、武器装备等高温运动系统的核心技术。本项目以设计和制备高性能高温自润滑材料为目标，主要开展了宽温域镍基自润滑复合材料和镍铝基高温自润滑复合材料的研究。在此基础上，研究了宽温域自润滑原位厚复合涂层材料。本项目共发表SCI论文31篇，EI论文3篇；参加学术会议9次，其中邀请报告5次；申请中国发明专利11件，授权中国发明专利2件；部分成果获得2016年甘肃省自然科学二等奖1项。.本项目系统研究了高温自润滑材料中各组元间的相互作用，深入研究了摩擦系统条件下宽温域自润滑材料的摩擦学行为规律，揭示了宽温域润滑机理和磨损失效机制，提出了适合不同环境条件的镍基高温自润滑材料的组分、结构设计原则和制备工艺控制方法，主要取得了如下具体研究结果。（1）深入地研究复合固体润滑剂体系的协同润滑作用，发现：银和氟化物具有最佳的力学和摩擦学相容性；（2）系统地研究了基体合金成分对力学和摩擦学性能的相容性，发现：合金元素Ti和Mo可以提高复合材料的硬度、强度和抗磨损性能；合金元素Ti对摩擦系数几乎没有影响，而合金元素Mo对摩擦系数影响较大；（3）摩擦系统条件下的摩擦学行为规律的研究表明：摩擦配副研究显示镍基高温自润滑材料与氧化铝配副时具有最低的摩擦系数；滑动速度的研究发现镍基自润滑材料在中速时具有低摩擦系数，而在低速时具有低磨损率；（4）环境气氛的初步研究表明含Ag+CaF2/BaF2的镍基固体润滑材料在真空下的摩擦系数显著低于大气下；（5）通过优化工艺和调节组分，利用粉末冶金技术制备了同时具有高强度和优异润滑性能的镍基高温固体润滑复合材料和原位厚涂层材料。.本项目所取得的结果为发展我国先进的高温固体润滑复合材料和涂层奠定了理论基础，为解决相关领域的实际应用问题提供了技术支撑。