寬溫域固體潤(rùn)滑材料及涂層的高溫摩擦學(xué)特性研究.pdf

1、室溫到高溫具有良好摩擦學(xué)性能的潤(rùn)滑材料是尖端工業(yè)領(lǐng)域迫切需要解決的難題。固體潤(rùn)滑劑與傳統(tǒng)液體潤(rùn)滑劑相比在高溫摩擦領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，但常用的固體潤(rùn)滑劑石墨、MoS2和低熔點(diǎn)金屬在高溫易氧化而失去潤(rùn)滑性能；一些稀土化合物和氧化物高溫潤(rùn)滑性能好，但室溫易導(dǎo)致磨粒磨損。合理運(yùn)用多種潤(rùn)滑劑的協(xié)同潤(rùn)滑效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)室溫到高溫寬溫度范圍潤(rùn)滑的有效方法之一。以往研究通常是在金屬基體中添加固體潤(rùn)滑劑制備復(fù)合材料或在金屬基體表面沉積潤(rùn)滑涂層，復(fù)合材料中潤(rùn)滑劑添加量

2、少對(duì)潤(rùn)滑性能改善效果不明顯，而潤(rùn)滑劑添加量過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能的顯著下降；而潤(rùn)滑涂層壽命有限，一旦失效將造成災(zāi)難性后果。
　　 本論文從潤(rùn)滑劑組元、表面形貌及潤(rùn)滑滲層等方面設(shè)計(jì)寬溫度范圍自潤(rùn)滑材料，用粉末冶金法制備含石墨、Ag、MoS2及CeO2的鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，利用石墨或金屬銀在低溫段潤(rùn)滑，利用硫化物或氧化物在高溫段潤(rùn)滑；采用脈沖激光在鎳基材料表面刻蝕微孔來(lái)存儲(chǔ)潤(rùn)滑氧化物；采用雙層輝光等離子滲金屬技術(shù)對(duì)微孔化表面滲Mo或M

3、o/N復(fù)合滲處理以改善表面耐磨性能。研究多種潤(rùn)滑劑的協(xié)同潤(rùn)滑作用以及表面形貌與潤(rùn)滑滲層的復(fù)合運(yùn)用。固體潤(rùn)滑復(fù)合材料表面制備潤(rùn)滑滲層，改善復(fù)合材料的表面力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，該研究對(duì)于解決極端工況下工作的轉(zhuǎn)動(dòng)密封、高溫軸承的摩擦潤(rùn)滑問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義。
　　 研究了鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料、滲Mo層以及Mo/N復(fù)合滲層的力學(xué)性能、抗氧化性能以及室溫～600℃的摩擦學(xué)性能，并探討了潤(rùn)滑劑添加量、溫度、載荷、配副材料及微孔化、滲Mo處理

4、對(duì)摩擦學(xué)行為的影響。采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及X射線衍射儀觀察分析鎳基復(fù)合材料及滲層的微觀組織形貌，采用白光干涉三維表面輪廓儀觀察微孔形貌，利用掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能譜(EDS)、X射線光電子能譜(XPS)分析高溫磨損表面形貌及其成分。
　　 鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料中，石墨與鎢熱壓反應(yīng)生成碳化鎢，MoS2與鉻反應(yīng)生成CrxSx+1共晶化合物。添加一定量的MoS2，由于Mo的固溶強(qiáng)化，提高了復(fù)合材料的硬度和抗彎強(qiáng)度。添加石墨

5、和MoS2分別有利于降低鎳基合金室溫段和高溫段的摩擦系數(shù)，同時(shí)添加石墨和MoS2的鎳基材料含有硬質(zhì)相(Mo2C、WC)及潤(rùn)滑相(CrxSx+1、石墨)，其室溫到700℃的摩擦系數(shù)(0.14～0.27)低于添加單一潤(rùn)滑劑的復(fù)合材料，且磨損率比添加單一潤(rùn)滑劑的材料低一個(gè)數(shù)量級(jí)。添加MoS2的鎳基復(fù)合材料，由于低熔點(diǎn)硫化物的摩擦熔融，獲得了較低的摩擦系數(shù)。潤(rùn)滑劑的添加，降低了材料的抗氧化性能。隨潤(rùn)滑劑添加量的增加，復(fù)合材料的氧化激活能線性變化

6、。
　　 添加金屬銀有利于改善鎳基材料中低溫段的摩擦學(xué)性能，銀添加量為10％時(shí)，Ni-Ag合金室溫摩擦系數(shù)降低為0.2。添加CeO2有利于高溫摩擦表面致密氧化膜的形成，降低了Ni-Ag合金的高溫摩擦系數(shù)和磨損率。同時(shí)添加Ag、MoS2和CeO2的鎳基復(fù)合材料含有Ag、CrxSx+1、CeS等潤(rùn)滑相，室溫～700℃的摩擦系數(shù)降低到0.16～0.26，磨損率下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　 雙層輝光等離子滲金屬技術(shù)在鎳基合金表面獲得

7、了厚度為20～30μm的滲Mo層，其表面Mo濃度為34wt％，滲Mo處理提高了鎳基合金表面的硬度和彈性模量，降低了合金高溫段的摩擦系數(shù)和磨損率。滲Mo基礎(chǔ)上滲氮處理，在Ni-Ag合金表面形成的MoN化合物層，提高了表面力學(xué)性能，但連續(xù)的化合物層阻礙了內(nèi)部潤(rùn)滑劑銀的釋放，對(duì)摩擦學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。
　　 激光微孔化處理在鎳基合金表面形成直徑為150μm，深度為40～50μm，規(guī)則排列的微孔。微孔化表面滲Mo處理，Mo的高溫潤(rùn)滑性氧

8、化物降低了高溫摩擦系數(shù)，微孔存儲(chǔ)潤(rùn)滑性氧化物，并且存積硬質(zhì)磨粒，降低了高溫磨損率。激光微孔化表面進(jìn)行Mo/N復(fù)合滲處理，Ni-Ag合金中內(nèi)含的銀可以通過(guò)微孔向外釋放，并且硬質(zhì)滲層提高了軟質(zhì)潤(rùn)滑膜的承載能力，降低了銀的摩擦損耗，提高了高溫摩擦學(xué)性能。
　　 鎳基復(fù)合材料和滲層的動(dòng)態(tài)氧化增重拋物線常數(shù)比靜態(tài)氧化增重高2個(gè)數(shù)量級(jí)。在傳統(tǒng)的氧化磨損模型及熔融磨損模型的基礎(chǔ)上，建立了更接近于實(shí)驗(yàn)值的鎳基復(fù)合材料及滲層的高溫氧化物熔融磨損模