[發明專利]一種自潤滑功能抗高溫磨蝕硬面材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010618396.1
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111705289B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 張立;陳述;吳厚平
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C23C4/06
• 分類號: C23C4/06;C23C4/129;C22C29/02;B23K35/24;B23K35/30;B23K35/40
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發明涉及一種自潤滑功能抗高溫磨蝕硬面材料，其自潤滑功能通過RE₂O₂S實現，抗高溫磨蝕通過RE₂O₂S和硬質相協同作用實現；所述硬質相包括高熵碳化物，RE指稀土。本發明一種自潤滑功能抗高溫磨蝕硬面材料的制備方法，通過在硬面材料原料粉末的燒結、熱噴涂或堆焊以及在硬面材料服役過程中形成RE₂O₂S物相；所述RE₂O₂S中S來源于服役工況或在硬面材料原料粉末制備時以WS₂形式添加。本發明對服役工況以及硬面材料中的硬質相和粘結相具有廣泛適應性，能顯著提高硬面材料的服役溫度，低成本改善其使用壽命，促進高熵碳化物推廣應用，極大地滿足高溫極端服役工況對新型硬面材料高綜合性能和高性能穩定性的需求。

技術領域

本發明涉及一種自潤滑功能抗高溫磨蝕硬面材料及其制備方法，屬于硬質材料、硬面材料以及表面工程技術領域。

背景技術

因具有高耐磨性，Cr₃C₂-NiCr、WC-Co(Cr)、WC-NiCr等是最常見的硬面材料。硬面材料通常采用熱噴涂(包括超音速火焰噴涂、爆炸噴涂、等離子噴等)或堆焊工藝制備。通過成分與工藝設計，硬面材料可滿足服役工況對材料表面耐磨、耐磨蝕、耐熱磨蝕、耐高溫磨蝕、耐微振磨損等要求，因此廣泛用作氣輪機密封部件、核電部件、狄塞爾發動機部件、渦輪葉片、氣輪機葉片、爐輥、高溫閥座、化工設備、鍋爐管、氣輪機葉片，廣泛應用于汽車、鋼鐵、航海、石油、火力發電、造紙、礦山、紡織、電子、醫療等行業。

當傳統材料的發展逐漸趨近于其極限、難以滿足高新技術日益增長的需求時，新材料開發已成為一種常態化的需求。“高熵”是近年來出現的新的材料設計理念，已成為材料研究領域的新熱點。高熵碳化物具有很強的共價鍵特征，具有高熔點、大于各組元平均值的硬度與彈性模量、低于所有組元的熱導率、高于所有組元的抗氧化性。以(Hf_o.2Nb_0.2Ta_0.2Ti_0.2Zr_0.2)C高熵碳化物為例，取決于測量載荷、測試條件以及制備工藝條件，其硬度為15～40.6GPa，彈性模量為443～552GPa，熱導率為5.42～6.45Wm^-1K^-1，抗氧化溫度為800℃(Oses C，Toher C，Curtarolo S.High-entropy ceramics.Nature ReviewsMaterials，2020，5：295-309)。顯然，高熵碳化物用作硬面材料的硬質相可顯著改善硬面材料的綜合性能，在極端服役工況條件下其優勢顯著。但在高熵碳化物中，抗高溫氧化性能最佳的(Hf_0.2Nb_0.2Ta_0.2Ti_0.2Zr_0.2)C的抗氧化溫度也只能達到800℃。相對Cr₃C₂基硬面材料，W、Ti碳化物基硬面材料的硬度更高，耐磨性更佳，但抗高溫氧化性能欠佳。顯然，進一步改善硬面材料，尤其是高硬度硬面材料的抗高溫氧化性能，是提高其對高溫磨蝕極端服役工況的適應性，進一步改善其使用壽命的有效途徑。

稀土氧硫化物具有高熔點和自潤滑功能。但是如果將此特性應用于硬面材料未見報道。

發明內容

本發明的第一個目的是提供一種自潤滑功能抗高溫磨蝕硬面材料，以滿足高溫磨蝕極端服役工況對硬面材料具有極高的抗氧化性能和優異的耐磨性能的要求。本發明在提高硬面材料抗氧化性能的同時，通過賦予硬面材料自潤滑功能，進一步改善硬面材料在高溫極端服役工況條件下的耐磨性能，以進一步改善其使用壽命。本發明的第二個目的是提供一種對服役工況以及硬質相和粘結相具有廣泛適應性的自潤滑功能抗高溫磨蝕硬面材料的低成本制備方法。