Ni3Al(Cr)合金组织及滑动摩擦磨损性能的研究

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目前Ni3Al金属间化合物的应用方向主要是作为耐含碳气氛和耐氧化气氛的结构件,对它的研究集中在提高室温塑性及强韧化等方面,随着对金属间化合物研究的逐步深入,对其摩擦学性能的研究已显得很有必要,材料只要作为有相对运动的部件就要涉及到摩擦、磨损和润滑问题。本文采用添加不同Cr含量的Ni3Al(Cr)合金为研究对象,研究Cr对其组织和性能的影响,采用HT-1000高温摩擦磨损试验机,分别研究不同载荷对其常温摩擦磨损性能的影响,温度对其高温摩擦磨损性能的影响。其主要研究结果如下:Cr元素固溶进Ni3Al基体中,合金中出现了明显的树枝晶,随着Cr含量的增加,合金的硬度提高很多,但是塑性下降较少。本文通过磨痕轮廓、磨痕成分、磨痕形貌,以及磨屑的形貌、截面形貌及显微硬度等研究与分析,解释工艺参数对磨损率、摩擦系数的影响规律,从而阐述Ni3Al(Cr)合金在室温和高温情况下的摩擦磨损机制。常温下不同Cr含量的Ni3Al合金,随着载荷的增加磨损率不断提高,但随Cr含量的增加其磨损率不断下降;随磨损温度的上升Ni3Al(Cr)合金磨损率先上升后下降,800℃时磨损率最低,Cr含量的添加有利于提高Ni3Al合金的高温耐磨性,但是在600℃温度下Cr的添加使Ni3Al合金的耐磨性降低。添加Cr元素后摩擦系数有微量的减小,整体波动趋势不大,磨痕曲线的变化与磨损率变化趋势一致。在低载荷下Ni3Al(Cr)合金的磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损;载荷增大到10N和15N时,Ni3Al合金磨损机制转变为剥层磨损,并伴有氧化磨损,而Ni3Al(Cr)(X=4,8,12)合金磨损机制仍为磨粒磨损和氧化磨损;高载荷(20N)下,Ni3Al与Ni3Al-4Cr合金的磨损机制均转变为以疲劳磨损和剧烈的剥层磨损为主,氧化磨损为辅。温度从200℃升到800℃时,Ni3Al(Cr)合金磨损机制发生变化,高温时材料的磨损机制主要为剥层磨损和氧化磨损,剧烈的剥层磨损使材料的磨损率升高,Ni3Al-12Cr在800℃时转变为氧化磨损,磨损率最低。在干摩擦过程中,由于环境温度和摩擦热的影响,材料表面极易生成氧化物,添加Cr元素的材料表面不仅含有具有抗磨作用的NiO+Al2O3氧化物,并且含有减磨作用的Cr2O3。增大载荷有利于摩擦表面摩擦层的生成,与基体连接强度较好的Ni3Al(Cr)合金的摩擦层对基体保护作用较好,基体塑性变形范围较小,摩擦层的厚度随Cr含量的增加摩擦层厚度没有明显的变化规律,且摩擦层厚度较小。Ni3Al合金在高温情况下(600℃和800℃)存在摩擦层,对基体有保护作用,减小磨损率。总之,添加Cr元素有利于提高材料的室温和高温干滑动动摩擦磨损性能,在600℃添加Cr元素抗磨性能降低。
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