摘要
苛刻工况下机械运动部件常因磨损严重导致性能下降，对交通运输、煤炭化工、先进武器等系统的运行可靠性和寿命影响巨大。高温合金中的钴基合金，承温能力强，耐磨性优异，被广泛用作高温机械零件。但当前的钴基合金仍不能满足部分零部件的需求，开发性能优异的新型钴基合金是高新技术产业的重点研发方向。MoSi2硬度高、抗磨性能优异，与其他陶瓷颗粒相比，具有金属与陶瓷的双重属性，与金属基体界面相容性更好。将其加入钴合金，有望实现两者特性的互补，提升钴基合金的宽温域摩擦学性能。本文以MoSi2为增强相，首先使用热压烧结技术设计制备CoCrNiW-MoSi2抗磨复合材料，研究MoSi2含量对钴基复合材料高温摩擦学性能的影响；随后系统研究载荷和滑动速度对复合材料干摩擦磨损性能的影响，进一步优化MoSi2含量；最后探讨烧结温度对CoCrNiW-MoSi2抗磨复合材料组织和摩擦学行为的影响规律，优化复合材料制备工艺。 设计制备了CoCrNiW-(0wt.%、3wt.%、7wt.%和11wt.%)MoSi2抗磨复合材料，复合材料的物相包括γ-fcc、ε-hcp、MoSi2、CrSi2、Mo1.24Ni0.76和MoSi2.43W0.211相，组织结构较为致密。高温烧结过程中，MoSi2与金属基体的界面反应提高了材料的密度和致密度，同时弥散分布的硅化物硬质颗粒使得材料硬度上升。MoSi2的添加提高了材料室温和高温的耐磨性，CoCrNiW-MoSi2试样的抗磨损性能室温时比CoCrNiW试样提高了8.2%-55.7%，800℃-1000℃范围内提高了36.1%-38.5%，特别是1000℃时，CoCrNiW-7wt.%MoSi2试样磨损率仅为4.04×10-6mm3.N-1.m-1。同时MoSi2使得材料的高温摩擦系数显著降低，800℃-1000℃范围内，CoCrNiW-MoSi2试样摩擦系数最低仅为0.38-0.40，远低于CoCrNiW的0.59-0.66。材料摩擦学性能的改善归因于高硬度硅化物以及高温时材料表面富含Co2SiO4、CrMoO3等固体润滑剂的氧化膜。材料在室温的磨损机理为磨粒磨损和塑性变形，随着温度升高，逐步转变为氧化磨损。 干摩擦磨损实验中，摩擦系数随载荷和滑动速度的增加均减小，磨损率随滑动速度增加而减小，随载荷变化趋势相反。试样的磨损率随MoSi2含量的增加先下降后略有上升，所有条件下CoCrNiW-MoSi2试样的磨损率均低于CoCrNiW。其中7wt.%和11wt.%MoSi2添加的试样磨损率较低且接近，较CoCrNiW降低了22.1%-50.5%。适当含量的MoSi2具有一定的减摩性，CoCrNiW-7wt.%MoSi2试样的摩擦系数始终最低，变化范围为0.24-0.53。硬度、强度较高的硅化物硬质颗粒在摩擦过程中起到支撑保护作用，提高了磨损表面的承载能力，进而降低磨损率。结合材料的高温摩擦学行为，CoCrNiW-7wt.%MoSi2表现出最佳的无油抗磨性能。其磨损机理为磨粒磨损和轻微的氧化磨损。 系统研究烧结温度(950℃、1050℃和1150℃)对CoCrNiW-7wt.%MoSi2微观结构和摩擦学性能的影响。材料的硬度随温度升高先上升后下降，孔隙率则呈相反趋势。高温摩擦学实验中，摩擦系数随着温度升高而下降，200℃-400℃范围内由于MoSi2的“pest”现象，950℃制备的材料摩擦系数较高，约为0.57-0.66，800℃-1000℃范围内试样摩擦系数均小于0.4。1050℃制备的试样磨损率始终最低，中温域(200℃-600℃)范围耐磨性优势最为显著，宽温域范围内磨损率较950℃制备的试样降低了38.5%-76.4%。干摩擦磨损实验中，950℃和1150℃制备的材料摩擦系数较低而接近，二者摩擦系数对载荷的依赖性小于对速度的依赖性，但磨损率远高于1050℃制备的材料，1050℃制备的材料磨损率较950℃和1150℃制备的材料最多分别降低5.6倍和4.5倍。950℃和1150℃制备的材料表面存在较明显的塑性变形痕迹。1050℃为最佳烧结温度，合适的烧结温度改善了材料的界面结合，较低的孔隙率和高硬度提高了材料的承载能力，使得抗磨性能优异。另外烧结温度较MoSi2含量对钴基合金摩擦学性能的影响更为关键。
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