一种全温域自润滑Cu-Ni-Al-C合金、其制备方法及应用

本发明涉及金属合金，具体涉及一种全温域自润滑cu-ni-al-c合金、其制备方法及应用。

背景技术：

1、随着航空航天、交通运输、高端能源装备领域的高速发展，极端工况下运动部件对材料的摩擦学性能与服役稳定性的要求持续提升。铜基合金因兼具优异的导电导热性能、易加工性与中等力学强度，广泛应用于各领域的滑动构件与摩擦副，但在极端服役工况下，其性能短板日益凸显。以航空航天发动机燃烧室内衬件、高温燃气轮机滑动构件等高温有氧服役场景为例，传统有机/液体润滑剂在高温条件下会发生分解失效，无法提供持续润滑。而现有铜基自润滑材料普遍存在温域适配性窄的领域共性难题，制约了高端装备核心运动部件长寿命服役。

2、cu 与 ni 均为面心立方结构，因此可将镍基高温合金中的 γ' 相共格析出强化机制引入铜基体中，以大幅提升铜合金的高温性能。现有研究表明，ni3al、ni3ti、ni3nb 等金属间化合物的分解温度高于cu的熔点，均可作为铜基合金的潜在强化相；ni3ti相与ni3nb，长时间高温 时效会引起相的晶体结构转变，无法保证合金的力学性能；ni3al具有较高的分解温度， 高温下具有稳定的强化效果，是铜基高温强化的优选第二相。

3、基于此，现有技术开发了cu-ni-al系铜基高温自润滑合金，该合金通过 cu 基体中析出 γ'-ni3al 相来提升高温力学性能，高在温有氧条件下摩擦界面可原位生成致密氧化层，从而提升高温耐磨性能。然而，该类合金在室温及中温工况下摩擦系数高、磨损量大，减摩耐磨性能严重不足，无法满足全温域稳定服役的需求。

4、目前，针对 cu-ni-al 系铜基合金在全温域稳定服役方面的需求，现有材料体系尚无法满足，主要面临以下技术难题：第一，该类合金在室温及中温工况下的润滑效果显著下降，其摩擦学性能存在本征性不足，目前尚无成熟的技术方案能够有效解决这一问题；第二，现有铜基合金在提升室温减摩耐磨性能的同时，往往以牺牲高温力学性能为代价，二者难以在同一体系中兼容；第三，现有铜基合金的成分设计理论框架尚未涵盖全温域摩擦学性能的协同优化需求，无法为新型合金的成分设计提供有效指导。

5、然而，传统铜基合金为实现自润滑常引入过量石墨或碳，虽可降低摩擦系数，但伴随基体连续性破坏导致强度大幅下降（如c>18%时室温强度低于550 mpa）；而低石墨含量（<0.2%）虽维持强度，却无法形成有效润滑膜，室温摩擦系数和体积磨损率均较高。更为关键的是，现有技术始终未能在单一铜基合金中兼顾高强度、超低摩擦系数与低室温体积磨损率的全温域性能，形成“强度与润滑难以兼顾”的长期技术偏见。因此，如何在保持 γ'-ni3al 相共格析出强化效果的前提下，突破全温域自润滑性能的技术瓶颈，是该体系走向工程化应用亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、对于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种全新的全温域自润滑cu-ni-al-c合金、其制备方法与应用，通过大量实验发现，在严格限定ni:al原子比为3:1且c含量处于特定区间时，可同时实现高强度、优异高温抗软化能力与室温至1100℃全温域稳定自润滑性能，该效果无法从现有技术预期，解决了铜基合金“强度与润滑难以兼顾”、“室温与高温性能无法协同”的长期技术难题。

2、本发明具体的技术方案为——一种全温域自润滑cu-ni-al-c合金，其由cu、ni、al、c及不可避免的杂质组成，其中ni与al的原子比为3:1，c的原子百分比为0.2～18%，余量为cu；所述不可避免的杂质主要来源于原材料纯度限制及熔炼环境，包括但不限于o、s、fe、si、pb等，其总含量不超过0.1 wt%。上述c含量范围（0.2%～18%，原子百分比）系基于系统实验数据，对有效成分区间的合理概括，在该范围内合金可兼顾高强度与全温域自润滑性能。

3、对于上文所述的技术方案而言，进一步优选的，所述c的原子百分比为1～10%，所述cu的原子百分比为50～70%。

4、对于上文所述的技术方案而言，进一步优选的，所述c的原子百分比为4～8%，所述cu的原子百分比为50～60%。

5、对于上文所述的技术方案而言，进一步优选的，所述合金在铸态下室温抗拉强度不低于780 mpa，且室温干摩擦系数不高于0.30，超低室温体积磨损率≤1×106mm³/(n·m)（更优选≤6.37×107mm³/(n·m)）。

6、更进一步优选的，所述合金在铸态下室温抗拉强度不低于863 mpa，室温干摩擦系数不高于0.18，并在300～1100℃温度范围内保持摩擦系数≤0.25。

7、最优选地，所述合金在铸态下组织均匀，γ'-ni3al相以纳米级共格析出形式弥散分布，c以弥散碳化物或游离石墨微区形式存在，无粗大脆性相，且具备非磁性特征。

8、另一方面，本发明保护上述全温域自润滑cu-ni-al-c合金的制备方法，其包括如下步骤：按目标成分比例称取纯度≥99.9%的cu、ni、al金属原料及高纯石墨或碳粉，在惰性气氛或真空条件下熔炼，熔体温度控制在1200～1500℃（优选1350~1450℃），保温10～60分钟后浇铸成锭或直接成型为近净形部件。

9、对于上文所述的技术方案而言，进一步优选的，所述熔炼采用中频感应炉、电弧熔炼或真空自耗电极熔炼，浇铸前对模具预热至200～600℃以调控凝固速率。

10、更进一步优选的，所述制备方法还包括后续热处理步骤：将铸态合金在700～950℃进行固溶处理1～10小时，随后在400～700℃时效处理2～24小时，以优化γ'相析出尺寸与分布。

11、最优选地，所述制备方法仅通过常规熔铸即可获得高性能铸态合金，无需粉末冶金、机械合金化或外加润滑相工艺，适用于工业化连续生产。

12、另一方面，本发明保护上述全温域自润滑cu-ni-al-c合金的应用，包括：用于制造在无外部润滑条件下需承受高载荷、宽温域（室温至1100℃）交变工况的自润滑结构件，具体应用场景涵盖航空航天发动机燃烧室内衬件、卫星活动关节等高端装备关键部件。

13、对于上文所述的技术方案而言，进一步优选的，所述应用包括在同时要求高强度（≥780 mpa）、低摩擦系数（≤0.30）、超低室温体积磨损率（≤1×106mm³/(n·m)）的高端装备关键部件中的使用。

14、更进一步优选的，所述合金特别适用于需在氧化、真空或惰性气氛中长期服役，且禁止使用液体或有机润滑剂的极端工况场景。前述自润滑结构件因兼具室温体积磨损率≤1×106mm³/(n·m)的低磨耗特性，可显著延长无润滑极端工况下的部件使用寿命与维护周期。

15、最优选地，所述应用包括作为替代传统镍基、钴基或铁基高温自润滑合金的轻量化铜基解决方案，在保证高温性能的同时显著降低部件密度，满足新一代航空航天与轨道交通装备对轻质、高可靠、多功能集成材料的需求。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、(1) 本技术通过大量实验发现，在固定ni与al原子比为3:1的前提下，将c元素控制在0.2～18%原子百分比范围内，可获得兼具高强度与全温域自润滑性能的cu-ni-al-c合金，该成分组合无法从现有技术预期；

18、(2) 所述合金在铸态下即可实现室温抗拉强度≥863 mpa、室温干摩擦系数≤0.18，并在宽温域内保持稳定自润滑能力，突破了传统铜基合金“强度与润滑性能难以兼顾”的技术瓶颈；本实施例所得合金室温体积磨损率≤7.00×107mm³/(n·m)，与低摩擦系数协同，验证了强韧与低磨耗的统一。

19、(3) 成分范围明确、工艺简单，无需复杂后处理，显著提升工业生产批次稳定性与成品合格率；

20、(4) 合金兼具优异力学性能、自润滑性及良好导电导热性，适用于航空航天、新能源汽车、高速轨道交通等高端装备关键部件；所述自润滑性不仅包括超低摩擦系数，亦涵盖室温体积磨损率≤1×106mm³/(n·m)的低磨耗表现。

21、(5) 本发明提供了一种可复制的高性能铜基自润滑合金技术方案，对多组元合金设计具有实践参考价值。