張孟恩，王振生, 2，郭源君，郭建亭，周蘭章，楊雙雙

?

NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的室溫摩擦磨損性能

張孟恩1，王振生1, 2，郭源君1，郭建亭3，周蘭章3，楊雙雙1

(1. 湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭，411201；2. 湖南科技大學(xué) 高溫耐磨材料及制備技術(shù)湖南省國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭，411201；3. 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng)，110016)

采用SEM和XRD分析NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的微觀組織，用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的力學(xué)性能，用高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究合金的室溫摩擦磨損特性。研究結(jié)果表明：NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金由NiAl相、NiAl-Cr共晶和Cr2Ta相組成，其強(qiáng)度和塑性良好。在低1/2·(為載荷，為速度)下，合金的磨損機(jī)制為磨粒磨損，隨著1/2·的增加，摩擦熱效應(yīng)增強(qiáng)，合金的磨損機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp，摩擦因數(shù)和磨損率增加；當(dāng)1/2·＞0.54 N1/2·m/s時(shí)，摩擦熱效應(yīng)逐漸導(dǎo)致摩擦表面形成了無(wú)定形層，無(wú)定形層具有自修復(fù)特性，部分或全部隔離了摩擦副的直接接觸，磨損機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p，磨損率快速降低后保持穩(wěn)定，摩擦因數(shù)逐漸降低；當(dāng)1/2·≥4.02 N1/2·m/s時(shí)，合金磨損表面開(kāi)始出現(xiàn)疲勞磨損特征，表面剝落導(dǎo)致合金的磨損率升高。

NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金；摩擦磨損性能；磨損機(jī)制；無(wú)定形層

金屬間化合物NiAl具有熔點(diǎn)高(1 640 ℃)、密度低(5.86 g/cm3)、彈性模量高(184 GPa)、導(dǎo)熱性好(70~80 W/(m·K))、抗氧化性能優(yōu)異等一系列優(yōu)點(diǎn)，是極具潛力的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料[1?3]。然而除用作發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)材料外，NiAl金屬間化合物及其合金具有作為苛刻環(huán)境下的抗磨材料的潛在應(yīng)用前景[4?5]。有研究表明：在與SiC配副的條件下，NiAl的抗磨性能優(yōu)于Fe3Al，TiAl 和MoSi2等金屬間化合物以及Al2O3和PS-ZrO2陶瓷材料的抗磨性能[6]，TiB2硬質(zhì)陶瓷顆粒的加入可進(jìn)一步提高NiAl的耐磨性能[7]。王振生等[8?9]在700~900 ℃的高溫摩擦磨損中發(fā)現(xiàn)：NiAl基合金(合金含有W，Mo和Co)具有良好的持久自潤(rùn)滑性能和較好的耐磨損性能，摩擦因數(shù)和磨損率低于Ni基高溫合金。進(jìn)一步添加S元素[10?11]，NiAl基合金在200~ 400 ℃也可以產(chǎn)生良好的持久自潤(rùn)滑特性。鑒于NiAl合金的應(yīng)用前景，多年來(lái)，人們通過(guò)多種強(qiáng)化方法提高合金的蠕變強(qiáng)度和室溫韌性[12]。其中，Ta可以提高NiAl基合金[13?15]的蠕變強(qiáng)度，Cr有利于提高NiAl-Ta-X(X代表Cr,Mo,V)系合金[16]的室溫韌性。故NiAl-2.5Ta-7.5Cr[17]合金具有優(yōu)異的高溫性能和可容忍的室溫韌性，應(yīng)用前景較好。為此，本文作者對(duì)NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的摩擦磨損性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用高純金屬Ni，Al，Ta和Cr(＞99.9%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))，用高真空電弧爐，按名義成分NiAl-2.5Ta-7.5Cr(摩爾分?jǐn)?shù)，%) 熔煉合金。采用HRS?2M高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金的摩擦磨損性能。用線切割方法切取厚度為4 mm的NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金試樣，表面磨至1200號(hào)砂紙，經(jīng)丙酮+酒精超聲波清洗，烘干。配副試樣為直徑4 mm的Si3N4陶瓷球。載荷施加于球，試樣在夾具帶動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成球和試樣接觸表面的滑動(dòng)磨損。實(shí)驗(yàn)在大氣和干摩擦條件下進(jìn)行，空氣相對(duì)濕度為30%。往復(fù)滑行頻率為5，10，20，30和45 Hz，載荷為10，45，80和118 N，單次往復(fù)滑動(dòng)距離為10 mm，磨損時(shí)間為20 min。摩擦因數(shù)由設(shè)備監(jiān)控記錄，取穩(wěn)定后摩擦因數(shù)的平均值。磨損體積量用NanoMap?500LS三維接觸式表面輪廓儀測(cè)得。磨損率計(jì)算公式為=/(·)(其中為磨損率，為磨損體積損失，為載荷，為滑行距離)。利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金室溫壓縮強(qiáng)度，壓縮應(yīng)變速率為2.8×10?3s?1，壓縮樣品的長(zhǎng)×寬×高為4 mm×4 mm×6 mm，表面磨至800號(hào)砂紙。采用D/Max?2550型 X線衍射儀分析合金的相組成。采用HV?50維氏硬度計(jì)測(cè)試合金的維氏硬度。利用配置了能譜儀(EDS)的S?3400N型掃描電鏡(SEM)和光學(xué)顯微鏡(OM)觀察合金組織形貌和摩擦表面形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的組織與力學(xué)性能

圖1所示為NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的X線衍射圖譜，圖2所示為NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的背散射(BSE)照片。結(jié)合EDS圖譜，可見(jiàn)合金的組織由黑色NiAl相、灰白色NiAl-Cr共晶相以及白色的Cr2Ta相組成。

圖1 NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的XRD譜

圖2 NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的背散射組織形貌

NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金室溫抗壓強(qiáng)度為1 411 MPa，彈性模量為138 GPa，維氏硬度為549 HV，壓縮率為25.9 %。NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金良好的室溫強(qiáng)度和塑性對(duì)于其作為室溫下應(yīng)用的耐磨材料非常有利。

2.2 NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的摩擦磨損性能與機(jī)理

2.2.1 摩擦磨損性能

圖3所示為NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的摩擦磨損性能曲線。從圖3可以看出：1/2為0.16 N1/2·m/s時(shí)，合金的摩擦因數(shù)為0.49，磨損率為2.41×10?14m3/(m·N)。隨著1/2的增加，合金的摩擦因數(shù)和磨損率增加。當(dāng)1/2增大至0.54 N1/2·m/s時(shí)，合金的摩擦因數(shù)和磨損率均達(dá)到最高值，此后，隨著1/2的增加，合金的摩擦因數(shù)逐漸降低，磨損率快速降低后基本保持穩(wěn)定。當(dāng)1/2＞3.22 N1/2·m/s時(shí)，合金的摩擦因數(shù)繼續(xù)降低，磨損率開(kāi)始升高。

(a) 摩擦因素；(b) 磨損率

圖3 不同1/2下NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的摩擦磨損性能

Fig. 3 Friction and wear properties of NiAl-2.5Ta-7.5Cr alloy at differentP/2·

2.2.2 磨損機(jī)理

當(dāng)1/2·為0.16 N1/2·m/s時(shí)，高倍SEM下可以看到：合金磨損表面存在大量的犁溝及少量的黑色膜特征(圖4(a))，黑色膜的EDS分析發(fā)現(xiàn)主要含有鎳、鋁、鉻和鉭元素，并含有少量的氧元素(圖5(a))，可能存在少量的氧化物。隨著1/2的增加，合金磨損表面開(kāi)始出現(xiàn)剝落特征(圖4(b))，并逐漸開(kāi)始出現(xiàn)黏著、裂紋和塑性變形特征(圖4(c)和4(d))，磨粒磨損特征減弱。

1/2/( N1/2·m·s?1): (a) 0.16; (b) 0.45; (c) 0.54; (d) 0.54; (e) 1.34; (f) 3.02; (g) 3.02; (h) 3.02; (i) 4.02; (j) 4.02; (k) 4.02; (l) 4.83

圖4 不同1/2下NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的摩擦磨損表面形貌

Fig. 4 Wear morphology of NiAl-2.5Ta-7.5Cr alloy at different1/2·

1/2/( N1/2·m·s?1): (a) 0.16; (b) 1.34

圖5 NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金的摩損表面黑色膜EDS圖

Fig. 5 EDS spectra of NiAl-2.5Ta-7.5Cr alloy’s black wear surfaces

對(duì)于一個(gè)固定配對(duì)的摩擦副來(lái)說(shuō)，當(dāng)1/2為常數(shù)時(shí)，溫升也應(yīng)當(dāng)是常數(shù)[18]，隨著1/2增大，摩擦熱效應(yīng)增強(qiáng)。低1/2時(shí)，磨損表面的溫度低，合金的強(qiáng)度和硬度較高，塑性較低，由于NiAl合金的脆性強(qiáng)[12]，合金表面微凸體在硬的Si3N4陶瓷球滑動(dòng)作用下會(huì)發(fā)生脫落，Si3N4陶瓷球表面微凸體對(duì)合金表面產(chǎn)生犁削作用，脫落的磨屑在往復(fù)滑動(dòng)過(guò)程中發(fā)生加工硬化，硬化的顆粒也犁削合金表面。故1/2為0.16N1/2·m/s時(shí)，合金的磨損機(jī)制為磨粒磨損，犁削導(dǎo)致合金的摩擦因數(shù)較高。隨著1/2增大，摩擦表面溫度升高導(dǎo)致合金強(qiáng)度和硬度降低，塑性增加[19]，由于合金中不同相的力學(xué)特征不同，合金磨損表面中各相的塑性變形不協(xié)調(diào)將產(chǎn)生裂紋(圖4(c)和4(d))，裂紋導(dǎo)致磨損表面合金的剝落，故合金的磨損率逐漸升高；局部接觸峰頂可能發(fā)生焊合和轉(zhuǎn)移，磨損機(jī)制逐漸由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp，黏著磨損的增強(qiáng)導(dǎo)致合金的摩擦因數(shù)逐漸升高。

隨著1/2的進(jìn)一步增加，由圖4(e)可以看出：摩擦表面逐漸變得較為平整，塑性變形特征增強(qiáng)，剝落特征減弱，摩擦表面存在大量的黑色膜。EDS分析發(fā)現(xiàn)：黑色膜中存在氧、鎳、鋁、鉻和硅元素(圖5(b))，硅元素是從對(duì)磨件Si3N4陶瓷球上轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的。對(duì)比圖5(a)，黑色膜中的氧元素含量大幅度增加，其中含有較多氧化物。黑色膜隨1/2的增加而增加，最后，基本覆蓋了全部磨損表面(圖4(f))。

這是由于隨著1/2的增大，表面溫度升高，生成的氧化物增多，摩擦熱又致使表面合金流動(dòng)現(xiàn)象增強(qiáng)，表面層在類似拋光過(guò)程中被熔化，由于底材金屬的高熱導(dǎo)率，熔化的表面層可能迅速凝固生成一層無(wú)定形層[18]。結(jié)合EDS分析結(jié)果，這層無(wú)定形層為氧化物與基體材料的混合層，這層膜部分或全部隔離了摩擦副的直接接觸，形成無(wú)定形層/Si3N4的磨損狀態(tài)，由于無(wú)定形層具有良好的減摩和耐磨效果[8~11]，故合金的摩擦因數(shù)逐漸降低，磨損率快速降低后保持穩(wěn)定。另外，SEM還發(fā)現(xiàn)磨損表面無(wú)定形層剝落區(qū)域存在自修復(fù)的特征，修復(fù)方式有2種：一是剝落區(qū)域周圍的無(wú)定形層在摩擦力和壓力的作用下發(fā)生塑性流動(dòng)填補(bǔ)剝落處(圖4(g))，二是氧化物和磨屑顆粒在摩擦過(guò)程中在剝落處聚集，在摩擦熱和摩擦功的共同作用下發(fā)生微區(qū)熱壓燒結(jié)[20?21]和摩擦化學(xué)反應(yīng)[22]，生成無(wú)定形層(圖4(h))。摩擦表面無(wú)定形層的自修復(fù)特性有利于合金產(chǎn)生持久的低摩擦因數(shù)和低磨損率。

當(dāng)1/2增加到4.02 N1/2·m/s時(shí)，摩擦表面剝落特征增強(qiáng)(圖4(i))；高倍SEM下發(fā)現(xiàn)，摩擦表面有少量的裂紋特征(圖4(j))，并有顯著的疲勞剝落凹坑存在(圖4(k))。這可能是由于，此工況下，滑動(dòng)速度過(guò)高，在高速往復(fù)應(yīng)力作用下，磨損表面合金經(jīng)受反復(fù)的彈性變形，致使表面材料發(fā)生疲勞磨損，故磨損率升高。

另外，高的1/2致使摩擦熱效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，易于表面無(wú)定形層的形成，溫度的升高又降低了無(wú)定形層的剪切強(qiáng)度，進(jìn)一步降低摩擦因數(shù)。因而，當(dāng)1/2增加到4.83 N1/2·m/s時(shí)，雖然磨損表面無(wú)定形層遭到嚴(yán)重破壞(圖4(l))，但其摩擦因數(shù)仍很低。

3 結(jié)論

1) NiAl-2.5Ta-7.5Cr合金由NiAl相、Cr2Ta相和NiAl-Cr共晶相組成，其強(qiáng)度和塑性良好。

2) 當(dāng)1/2為0.16 N1/2·m/s時(shí)，合金的磨損機(jī)制為磨粒磨損；隨著1/2的增加，合金的磨損機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp，摩擦因數(shù)和磨損率增加。1/2＞0.54 N1/2·m/s時(shí)，摩擦熱效應(yīng)導(dǎo)致磨損表面氧化物增多，磨損機(jī)制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p，摩擦表面形成的無(wú)定形層部分或全部隔離了摩擦副的直接接觸，磨損率快速降低后保持穩(wěn)定，摩擦因數(shù)逐漸降低。1/2增加至4.02 N1/2·m/s時(shí)，合金磨損表面出現(xiàn)疲勞磨損特征，摩擦表面剝落特征增加，磨損率快速升高。

3) 無(wú)定形層通過(guò)2種方式產(chǎn)生自修復(fù)特性。一是無(wú)定形層塑性流動(dòng)填平摩擦表面剝落處，二是氧化物和磨屑顆粒在摩擦過(guò)程中在較低處聚集，在摩擦熱和摩擦功的共同作用下發(fā)生微區(qū)熱壓燒結(jié)和摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成無(wú)定形層。

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Friction and wear behavior of NiAl-2.5Ta-7.5Cr alloy at room temperature

ZHANG Mengen1, WANG Zhensheng1, 2, GUO Yuanjun1, GUO Jianting3, ZHOU Lanzhang3, YANG Shuangshuang1

(1. Hunan Provincial Key Laboratory for Health Maintaining of Mechanical Equipment, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. Hunan Provincial Key Defense Laboratory of High Temperature Wear-resisting Materials and Preparation Technology, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;3. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

The microstructure and properties of NiAl-2.5Ta-7.5Cr alloy were investigated. The microstructure was analyzed by SEM and XRD, the mechanical properties were conducted by a universal mechanical testing machine, and the friction and wear features at room temperature were studied using a friction and wear tester of high speed reciprocating. The results show that the NiAl-2.5Ta-7.5Cr alloy consists of NiAl, NiAl-Cr eutectic and Cr2Ta, and that makes the alloy have good strength and plasticity. The wear mechanism of alloy is abrasive wear in low1/2. With the increase of1/2, the wear mechanism of NiAl-2.5Ta-7.5Cr alloy gradually transforms itself into the adhesive wear, and at the same time both the wear rate and friction coefficient increase. When1/2is greater than 0.54 N1/2·m/s, the wear mechanism gradually turns into the oxidation wear mechanism. The friction pairs are divided with the amorphous layer formed on the wearing surface. The wear rate keeps stable after decreasing rapidly, and the friction coefficient gradually decreases under the condition. Fatigue wear characteristics appear when1/2is greater than 4.02 N1/2·m/s, and the surface spalling leads to high wear rate.

NiAl-2.5Ta-7.5Cr alloy; friction and wear properties; wear mechanism; amorphous layer

TH117；TG146

A

1672?7207(2015)01?0088?06

2014?02?10；

2014?04?06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51101055，51275167)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13JJ8015) (Projects(51101055, 51275167) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(13JJ8015) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)

王振生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事摩擦學(xué)與模具強(qiáng)化方面的研究；E-mail: zswang@imr.ac.cn

10.11817/j.issn.1672?7207.2015.01.012

(編輯 楊幼平)