·1146… 工程科学学报，第38卷，第8期 如气缸、活塞、活塞环、传动轴和喷嘴阀，这就对材料的 100MPa的条件下热等静压处理3h,分别制备出块状 高温力学性能和摩擦磨损性能提出严峻地挑战.因此 Ni3Al合金(Cr,C2添加量为0%)及CrC2含量不同的 研究开发具有优异综合性能的新型耐摩材料，提高内 CrC2/Ni3Al复合材料，其成分组成如表1所示.其中， 燃机的使用寿命和工作性能是亟需解决的科学问题. 图1给出热等静压(hot isostatic pressing,HP)过程的 金属间化合物因拥有长程有序的晶体结构，其原子间 工艺流程图. 结合力强、强度高且变形硬化能力好，具有强度一温度 表1NiA1合金和Cr3C2/Ni,A1复合材料的成分组成（体积分数） 的反常特性（其强度在一定温度范围内随温度的升高 Table 1 Compositions of the Ni,Al-alloy and CrC2/Ni Al composites 而增大)，被广泛应用于高温耐磨领域网.在众多金 属间化合物中，Ni,AI金属间化合物具有高温抗氧化、 样品 组成 抗渗碳能力优良B,耐腐蚀性好回，抗气蚀、冲刷性 NACI NigAl 能优异等特点因，因此Ni,A1金属间化合物在高温摩 NaC2 Nis Al +6%Cra C2 擦磨损领域引起广泛关注团.为了使Ni,Al金属间化 NAC3 Nis Al+12%CraC2 合物充分满足高温耐磨领域下的需求，通常选用高硬 NAC4 Ni:Al+18%CraC2 度、高强度、难熔的碳化物、氧化物、硼化物和氮化物等 NAC5 Nis Al +24%Cr C2 材料作为强化相添加到Ni,A1金属间化合物中，获得 颗粒增强的N,Al基复合材料，进而提高其耐磨性 能圆.对于Ni,A基复合材料强化相的选择通常需要 包套设计 粉末填充 包套密封 满足以下条件网：一方面具备优良的热硬度、热强度和 抗氧化性，另一方面与N,A1基有很好的润湿性.相关 HP试样 包套拆除 HP处理 研究表明，部分碳化物（如WC和Cr,C)与Ni,A1基体 具有良好的界面润湿性且具有优良的热力学性能，成 图1热等静压过程的工艺流程 为目前Ni,Al基耐磨材料理想的强化相o- Fig.I Technological process for hot isostatic pressing 基于Cr,C2是一种优异的高温抗氧化的强化相， 利用荷兰NOVA NANOSEM450场发射扫描电镜 且具有与N,Al基体结合力好、润湿性优良等优点，因 对Ni,Al合金及Cr,C2/Ni,Al复合材料显微组织进行 此把CrC2添加到Ni3Al基材中，充分利用二者的优 观察和分析，用德国D8 ADVENCE X射线衍射仪进行 势，得到一种高温耐磨性能优异的CrC2Ni,Al复合材 物相分析.采用HRS-150洛氏硬度计对材料硬度进 料02-.以往相关研究表明，C,C21Ni,A1复合材料 行测试，载荷为150kg,保载时间为4s,每个样品测三 中Cr,C2相在摩损过程中承受摩擦力的作用，而NiAl 次取平均值进行分析.为了评价Cr,C2含量对Ni,Al 基体承受协调变形、缓冲冲击的作用-.Cr,C,的加基复合材料摩擦磨损性能的影响，采用德国Optimal 入对复合材料体系的硬度和韧性都有比较明显的影SRV®4多功能摩擦磨损试验机进行销一盘式摩擦磨 响，然而Cr,C2含量对CrC2/Ni3Al复合材料硬度及摩损试验，如图2所示.在磨损试验中，销为Ni,Al合金 擦磨损性能影响的研究却鲜有报道.由于工业实际应 和Cr,C2含量不同的Cr,C2Ni,A1复合材料，其尺寸为 用的需要，开展不同CC,含量对镍铝基体材料相关 3mm×2mm×14mm.由于汽车、轮船内燃机活塞、气 性能的研究，具有重要的实际应用价值和学术意义· 缸套及气阀座垫常用耐磨材料为铸铁类（如灰铸铁和 本文采用热等静压技术，制备C,C,含量不同的 蠕墨铸铁)，因此本试验选用灰铸铁作为对磨盘，其化 Ni,Al基复合耐磨材料，研究Cr,C2含量对Cr,C2Ni,Al 学成分为（质量分数，%）：Fe93.41,C3.20,Si1.10, 复合材料组织和性能的影响，分析硬度及摩擦磨损性 Mn0.80,S0.07,P0.2,Cu1.0,V0.22,尺寸为 能与Cr,C2含量的关系，并探索Cr,C,Ni3Al复合材料 滑动方向 体系的摩擦磨损机制 1 试验材料及方法 采用Ni,Al合金粉末作为基体材料，其化学成分 为（质量分数，%）：Ni77.3,19.87,fe11.63, Mn0.5,Ti0.5,B0.2.将NiAl合金粉末(40~ 100μm)和不同体积分数(0~24%)的Cr,C2粉末 图2销-盘式磨损试验示意图 (20um)混合均匀，在温度1130~1160℃和压力 Fig.2 Diagrammatic sketch of the pin-on-disk wear test工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 如气缸、活塞、活塞环、传动轴和喷嘴阀，这就对材料的 高温力学性能和摩擦磨损性能提出严峻地挑战． 因此 研究开发具有优异综合性能的新型耐摩材料，提高内 燃机的使用寿命和工作性能是亟需解决的科学问题． 金属间化合物因拥有长程有序的晶体结构，其原子间 结合力强、强度高且变形硬化能力好，具有强度--温度 的反常特性( 其强度在一定温度范围内随温度的升高 而增大) ，被广泛应用于高温耐磨领域［1--2］． 在众多金 属间化合物中，Ni3Al 金属间化合物具有高温抗氧化、 抗渗碳能力优良［3--4］，耐腐蚀性好［5］，抗气蚀、冲刷性 能优异等特点［6］，因此 Ni3Al 金属间化合物在高温摩 擦磨损领域引起广泛关注［7］． 为了使 Ni3Al 金属间化 合物充分满足高温耐磨领域下的需求，通常选用高硬 度、高强度、难熔的碳化物、氧化物、硼化物和氮化物等 材料作为强化相添加到 Ni3Al 金属间化合物中，获得 颗粒增 强 的 Ni3Al 基复 合 材 料，进 而 提 高 其 耐 磨 性 能［8］． 对于 Ni3Al 基复合材料强化相的选择通常需要 满足以下条件［9］: 一方面具备优良的热硬度、热强度和 抗氧化性，另一方面与 Ni3Al 基有很好的润湿性． 相关 研究表明，部分碳化物( 如 WC 和 Cr3C2 ) 与 Ni3Al 基体 具有良好的界面润湿性且具有优良的热力学性能，成 为目前 Ni3Al 基耐磨材料理想的强化相［10--11］． 基于 Cr3C2 是一种优异的高温抗氧化的强化相， 且具有与 Ni3Al 基体结合力好、润湿性优良等优点，因 此把 Cr3C2 添加到 Ni3Al 基材中，充分利用二者的优 势，得到一种高温耐磨性能优异的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材 料［10，12--13］． 以往相关研究表明，Cr3C2 /Ni3Al 复合材料 中 Cr3C2 相在摩损过程中承受摩擦力的作用，而 Ni3Al 基体承受协调变形、缓冲冲击的作用［14--15］． Cr3C2 的加 入对复合材料体系的硬度和韧性都有比较明显的影 响，然而 Cr3C2 含量对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料硬度及摩 擦磨损性能影响的研究却鲜有报道． 由于工业实际应 用的需要，开展不同 Cr3C2 含量对镍铝基体材料相关 性能的研究，具有重要的实际应用价值和学术意义． 本文采用热等静压技术，制备 Cr3C2 含量不同的 Ni3Al 基复合耐磨材料，研究 Cr3C2 含量对 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料组织和性能的影响，分析硬度及摩擦磨损性 能与 Cr3C2 含量的关系，并探索 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料 体系的摩擦磨损机制． 1 试验材料及方法 采用 Ni3Al 合金粉末作为基体材料，其化学成分 为( 质 量 分 数，% ) : Ni 77. 3，Al 9. 87，Fe 11. 63， Mn 0. 5，Ti 0. 5，B 0. 2． 将 Ni3Al 合 金 粉 末 ( 40 ～ 100 μm) 和 不 同 体 积 分 数 ( 0 ～ 24% ) 的 Cr3C2 粉 末 ( 20 μm) 混 合 均 匀，在 温 度 1130 ～ 1160 ℃ 和 压 力 100 MPa的条件下热等静压处理 3 h，分别制备出块状 Ni3Al 合金( Cr3C2 添加量为 0% ) 及 Cr3C2 含量不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料，其成分组成如表 1 所示． 其中， 图 1 给出热等静压( hot isostatic pressing，HIP) 过程的 工艺流程图． 表 1 Ni3Al 合金和 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料的成分组成( 体积分数) Table 1 Compositions of the Ni3Al-alloy and Cr3C2 /Ni3Al composites % 样品 组成 NAC1 Ni3Al NAC2 Ni3Al + 6% Cr3C2 NAC3 Ni3Al + 12% Cr3C2 NAC4 Ni3Al + 18% Cr3C2 NAC5 Ni3Al + 24% Cr3C2 图 1 热等静压过程的工艺流程 Fig． 1 Technological process for hot isostatic pressing 利用荷兰 NOVA NANOSEM 450 场发射扫描电镜 对 Ni3Al 合金及 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料显微组织进行 观察和分析，用德国 D8 ADVENCE X 射线衍射仪进行 物相分析． 采用 HＲS--150 洛氏硬度计对材料硬度进 行测试，载荷为 150 kg，保载时间为 4 s，每个样品测三 次取平均值进行分析． 为了评价 Cr3C2 含量对 Ni3Al 基复合材料摩擦磨损性能的影响，采用德国 Optimal SＲV  4 多功能摩擦磨损试验机进行销--盘式摩擦磨 图 2 销--盘式磨损试验示意图 Fig． 2 Diagrammatic sketch of the pin-on-disk wear test 损试验，如图 2 所示． 在磨损试验中，销为 Ni3Al 合金 和 Cr3C2 含量不同的 Cr3C2 /Ni3Al 复合材料，其尺寸为 3 mm × 2 mm × 14 mm． 由于汽车、轮船内燃机活塞、气 缸套及气阀座垫常用耐磨材料为铸铁类( 如灰铸铁和 蠕墨铸铁) ，因此本试验选用灰铸铁作为对磨盘，其化 学成分为( 质量分数，% ) : Fe 93. 41，C 3. 20，Si 1. 10， Mn 0. 80，S 0. 07，P 0. 2，Cu 1. 0，V 0. 22，尺寸 为 · 6411 ·