用微量Cu改善镍基合金的磨损性能

  镍基合金是各种新型发动机的涡轮盘件材料。在实际使用过程中,特别是在无水冷工况时,工件工作温度明显上升,会出现磨损加剧的情况,导致失效。为此,改善镍基合金在热态下的磨损性能十分重要。研究表明,向Ni基合金中添加微量的Cu可细化镍基合金的晶粒,能生成NiCu相和CrCu相并牢靠镶嵌在基体中,起润滑作用,改善镍基合金的磨损性能。科研工作者利用粉末冶金技术将微量铜与镍基合金结合,明显改善了材料的减磨、耐磨和自润滑等摩擦性能。他们将纯铜粉和镍基合金粉末通过行星式球磨机充分混合后,采用粉末烧结技术制备了铜镍基合金。

  对加了铜的镍基合金与未加铜的镍基合金作的对比试验表明,添加铜后镍基合金随磨损温度升高摩擦因数持续降低至较低水平,而未加铜的镍基合金在160℃后摩擦因数较之前增大,且磨损曲线波动较大。当温度从40℃升至160℃时镍基合金的摩擦因数逐渐降低,但当温度为200℃~240℃时其摩擦因数又会变大;对比之下,添加铜后合金的摩擦因数降至0.2245,磨损曲线波动较小,且随温度升高摩擦因数仍降低,在240℃时摩擦因数约为0.0748。上述情况是由于添加铜后可以提高镍基合金的韧性,同时生成含铜的耐磨相,在磨损过程中起到润滑的作用,使得摩擦因数降低;而且在200℃~240℃时,磨损所生成的氧化膜仍未被破坏,即使磨损温度上升摩擦因数仍会下降。

  镍基合金在不同温度下的磨损犁沟明显,120℃后其磨损表面就有少量白色磨屑掉落,160℃后磨损表面磨屑明显增加并开始发生开裂。在200℃~240℃时磨损表面有大量白色磨屑,且磨损表面发生开裂;而铜镍基合金在40℃和80℃时磨损表面有轻微的犁沟,随磨损温度升高,磨损表面的犁沟越来越轻微,在240℃时磨损表面仍能保持稳定态势。这是因为镍基合金在200℃~240℃时,由于缺乏润滑,在摩擦热的作用下合金与对磨件相互接触在磨损过程中发生黏着及咬合现象,随着磨损的进行,合金与对磨件咬合得越来越紧,氧化膜受到破坏,硬质相发生剥落,造成二次磨损现象;而铜镍基合金中的镍铜相、铬铜相对表面起到润滑和减磨作用,基体中均匀分布的硬质相牢靠的镶嵌在基体中,在磨损过程中不容易断裂和剥落,热态磨损时生成的致密氧化膜保持在一个相对稳定的状态,减缓了磨损。

  显微组织检测与相分析证实,加入铜后组织变得细小而均匀,细密的组织使得合金的性能得以改善。同时,添加的Cu元素在镍基合金中与Ni、Cr生成NiCu相、CrCu相以及含铜的CuNiSi相,在磨损过程中起滑动和减磨作用,提高了合金的磨损性能。试验也表明,当Cu含量超过1%后合金的磨损性能又会降低,这是因为过多的Cu含量使基体变软而不能起到很好的支撑耐磨相的作用。可见,纯铜粉末的加入量为1%时效果较为理想。