一种自润滑铝基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明属于金属零件增材制造领域，涉及一种自润滑铝基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.在现代飞机中铝合金仍然是最主要的机体结构材料。目前现役的铝合金材料的用量平均占机体结构重量的60％以上。
3.国外引进的某直升机动力装置提高了涡轮前温度和各功率状态下的转速，主要对压气机涡轮部件进行了改进，其一级导向器内支撑密封环与压气机涡轮转子轴上的蓖齿配合，进行空气密封。但该密封结构经使用一段时间后会发生磨损，磨屑和大的尺寸间隙导致封严效果变差，相应的转子件也遭到磨损，需要维修或更换配件。而该配件是一种未知的添加陶瓷颗粒的铝基复合材料，含有陶瓷成分，由于陶瓷/金属界面结合性差，很难通过熔焊或钎焊的焊接方式对零件进行修复。同时该材料脆性较大，机械切削性能差，目前国内尚无直接通过该材料毛坯加工成形零件的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：提供一种自润滑铝基复合材料及其制备方法，以制备具有自润滑作用的金属密封结构件，其性能满足：室温弯曲压断载荷＞100n，摩擦系数＜0.4。
5.为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
6.一方面，提供一种自润滑铝基复合材料，复合材料基体为铝基合金，增强相为石墨、氧化镧和层片状氮化硼粉末，增强相体积占复合材料总体积的10％～20％，石墨 氧化镧和层片状氮化硼比例为体积比1～2.5:10，氧化镧体积占复合材料总体积的0.2％～0.8％，复合材料中增强相的尺寸为0.05μm～30μm。
7.进一步地，增强相体积占复合材料总体积的12％～15％，石墨 氧化镧和氮化硼比例为体积比1.5:10，复合材料中增强相的尺寸为0.5～1μm。
8.在另一种替代方案中，增强相体积占复合材料总体积的12％～15％，石墨 氧化镧和氮化硼比例为体积比2.0:10，复合材料中增强相的尺寸为1μm～10μm。
9.在另一种替代方案中，增强相体积占复合材料总体积的15％～18％，石墨 氧化镧和氮化硼比例为体积比1.5:8，复合材料中增强相的尺寸为0.5～1μm。
10.在另一种替代方案中，增强相体积占复合材料总体积的15％～18％，石墨 氧化镧和氮化硼比例为体积比2.0:8，复合材料中增强相的尺寸为1μm～10μm。
11.采用的铝基合金粉末，其化学成分按照质量百分比为：si：9.00～10.00％、mg：0.1～0.5％、o：0.02～0.12％、fe：0～0.35％、铝：余量。
12.另一方面，提供一种制备权利要求1所述自润滑铝基复合材料的方法，采用激光直接沉积技术在铝合金板材上进行制备，所述铝基合金基板化学成分与铝基合金粉末的化学成分一致，采用双通道或单通道方式送粉；
13.激光增材制造的工艺参数为：激光功率1600w～2800w，扫描速度300mm/min～600mm/min，光斑直径1.0mm～2.5mm，保护气流量10l/min～30l/min。
14.所述双通道方式具体为：
15.将石墨、氧化镧、氮化硼陶瓷粉末按照设计的成分比例预先混合均匀，将混合增强相粉末和铝基合金粉末分别装入激光增材制造设备中的双通道送粉装置中，通过调节激光增材设备双通道送粉装置中每一通道的送粉量及载粉器流量，使增材制造得到的复合材料中的增强相的体积占比满足要求，陶瓷粉末所在送粉通道的送粉量为1400rpm～3000rpm、载粉器流量为4l/min～7l/min，铝基合金粉末所在送粉通道的送粉量为2200rpm～3200rpm、载粉器流量为6l/min～9l/min。
16.所述单通道方式具体为：
17.按照所设计复合材料中增强相的体积分数及相互间的比例，将石墨、氧化镧、氮化硼陶瓷粉末和铝基合金粉末按比例预先进行混合，然后将混合均匀的粉末进行单通道送粉，送粉量为1400rpm～3200rpm，载粉器流量为5l/min～9l/min。
18.采用的氮化硼粉末粒度为0.05μm～10μm，石墨尺寸为5μm～30μm，氧化镧尺寸为2～7μm，铝基合金粉末粒度为45μm～106μm。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明针对该封严环材料的性能需求，使用激光直接沉积方法制备铝基复合材料封严环，通过加入具有石墨、氧化镧和层片状氮化硼粉末，使改良后的铝基复合材料封严环具有优异的力学性能和较低且稳定的摩擦系数，并且磨屑具有一定的自润滑效果；改良后的铝基复合材料封严环可有效防止转子磨损，转子与封严环的间隙可以控制的更小，封严效果和使用寿命均可得到提升。
21.在复合材料成分设计过程中，石墨、氧化镧和氮化硼在复合材料中的总体积分数以及它们之间的比例是一个关键点，首先需要保证陶瓷相的总体积分数在10％～20％之间，低于10％，增强效果不显著，高于20％，陶瓷相过多，材料成形性下降，无法成形出整体零件，同时材料力学性能也会迅速下降。同时，石墨 氧化镧和层片状氮化硼比例需为体积比1～2.5:10。虽然层片状氮化硼具有较好的润滑作用，可以起到降低摩擦系数的作用，但其具有较高的硬度。复合材料如果硬度过高，作为封严结构会将对磨零件损坏，为了适当降低其硬度，则加入一定量的石墨。另外，本设计方案中添加氧化镧是一个关键，可使摩擦系数降低且非常稳定，同时还可以有效提高室温弯曲压断载荷这个重要性能，氧化镧体积需占复合材料总体积的0.2％～0.8％，而石墨 氧化镧和层片状氮化硼体积比例为1～2.5:10为宜。同时，通过理论分析和实验验证，复合材料中增强相的尺寸为0.05μm～30μm可以起到最佳的强化作用。
22.采用激光直接沉积增材制造技术制备颗粒增强铝基复合材料具有以下优势：(1)增强相分布均匀。增材制造的原理是逐层叠加，首先可以保证增强相颗粒在每一层中形成均匀、一致的分布，这样就确保了整体构件中增强相的均匀性。(2)陶瓷/金属润湿性问题得到解决，且界面反应可控。激光束能量极高，在材料制造过程中瞬时温度可以达到3000℃以上，可以使陶瓷颗粒表面迅速发生熔化并与金属基体发生反应，生成稳定的冶金结合界面，陶瓷颗粒表面吸附的气体、杂质等也会在高温下迅速分解或被去除，无需对其表面进行任何预处理。
附图说明
23.图1为本实施例的密封件摩擦系数曲线。
具体实施方式
24.在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。下面结合具体实施例描述本发明的方法：
25.(1)激光增材制造设备配有6000w光纤激光、五轴联动数控机床及双通道同步送粉装置。
26.(2)根据复合材料设计方案，采用的基体合金化学成分按照质量百分比为：si：9.00～10.00％、mg：0.1～0.5％、o：0.02～0.12％、fe：0～0.35％、铝：余量。，其粉末粒度为45μm～106μm，采用的氮化硼陶瓷粉末粒度为1μm～3μm，石墨尺寸为10μm左右，氧化镧尺寸为2～5μm；确定添加石墨、氧化镧、层片状氮化硼陶瓷的总体积分数为13％，石墨 氧化镧和层片状氮化硼比例为体积比1.5:10，氧化镧体积占复合材料总体积的0.3％。
27.(3)将铝合金粉末和增强相粉末按照体积分数配比进行充分混合，混合均匀后，将混合粉末进行单通道送粉。
28.(2)以铝合金板材作为基板，进行激光增材制造实验。采用的制备工艺参数为：送粉量2500rpm，载粉器流量5l/min，激光功率2100w，扫描速度550mm/min，光斑直径1.0mm，保护气流量25l/min。
29.采用上述步骤，可以成功制备得到自润滑铝基复合材料。在该复合材料中，增强相均匀、一致的分布在铝基合金基体中，且增强相与金属基体之间反应形成了良好的冶金结合界面，增强相尺寸范围为0.5～1μm。测试结果表明，复合材料具有较低的摩擦系数(如图1所示：摩擦系数为0.3且非常稳定)以及优异的力学性能(室温弯曲压断载荷达到380n)，同时磨屑还具有自润滑作用。
30.采用本发明设计的铝基复合材料和提供的增材制造方法制备的支撑密封圈，其封严效果和使用寿命均可得到提升。
31.最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。