高温摩擦学

第1章 绪 论 高温摩擦学是指在高温工况下或摩擦表面处于高温时的摩擦学。高温摩擦学是一门前沿交叉学科，涉及材料、物理、化学、力学、数学、冶金、机械工程等学科。高温摩擦学研究对象广泛，在机械工程领域主要包括两个方面：①在高温工况中服役的机械系统；②具有高的摩擦表面温度的机械系统。高温摩擦学研究内容包括：高温环境中材料的摩擦行为，高温环境中材料的磨损机理，设计制备适用于高温环境中的润滑材料和耐磨材料，建立高温摩擦理论、磨损理论和润滑理论。高温摩擦学研究将为苛刻工况下服役的机械系统提供理论指导和技术支撑。高温摩擦学是工程先导性的学科，是高度交叉融合的前沿研究领域，是尚未成熟和极具活力的摩擦学分支。随着科学技术的发展，高温摩擦学理论逐步深化，其应用领域不断拓展，已经发展成为系统综合的研究领域。 1.1 高温摩擦学研究背景 高端装备制造和尖端工业对高温润滑耐磨材料和技术具有重大需求，相关技术通常属于装备动力传动系统的关键技术。机械系统的高温摩擦学性能直接关系到其可靠性、稳定性、能效性和耐久性，是制约许多高端装备发展的技术瓶颈[1-7]。 “中国制造2025”带动的高端装备制造业崛起，为高温摩擦学迎来新的机遇。服役于工业的各类重大装备不断追求强大功能、高效率、高精度，促使装备系统将多种单元技术高度集成，在实现能量、物质与信息流的传递、转换和演变的过程中，机械表面能量密度急剧增加，导致摩擦系统或摩擦表面温度显著升高，例如，轨道交通领域中运输工具的动力系统、集电装置和制动装置，机械加工领域中的切削工具，能源领域中核反应堆的密封装置和太阳能集电装置，冶金领域中的金属成形等。摩擦磨损已成为引起材料损伤并导致机械运动部件失效的重要原因之一，是目前高端装备发展所面临的亟须解决的关键技术难题之一。因此，高端装备中的高温润滑和耐磨问题是影响机械系统可靠性和寿命的重要因素，甚至会成为决定系统整体功能的关键技术。 航空发动机和燃气轮机“两机”科技重大专项的实施对高温摩擦学提出新的挑战。航空涡轮发动机和燃气轮机正在向着高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向发展。目前，在役的燃气涡轮发动机涡轮前进口温度已达到1500℃以上，推重比为10的航空发动机设计进口温度会达到1550～1750℃；美国国防部在“综合高性能涡轮发动机技术”计划中提出研制推重比15～20的涡扇发动机的目标，其航空发动机设计进口温度将达到1800～2100℃。高温、高速和高载是航空发动机和燃气轮机为提高推重比和能效性而使摩擦副必须面对的苛刻工况条件。但现有的高温轴承和润滑材料难以满足“两机”对高温工况下服役的摩擦学系统的综合性能要求，高温润滑问题已成为“两机”发展的技术瓶颈，迫切需要发展相适应的高温润滑材料和技术。 空间计划的实施对高温摩擦学提出新的要求[8，9]。先进的运载工具和飞行器是空间计划实施的基础。目前，航天大推力运载火箭中推力矢量系统燃气伺服机构正迫切需要解决1000℃范围内的摩擦磨损问题，航天飞机的方向舵轴承和控制装置表面摩擦密封要求承受800～1000℃的高温，而其他许多空间机械运动部件也处于高低温交变、频繁启停、高载等苛刻工况下服役，急需解决关键的润滑问题。大量研究表明，相当比例的空间机械部件的故障同润滑失效有关。润滑技术是保证空间运载工具和飞行器安全可靠运行的关键技术之一，空间润滑材料与技术同空间计划的成败直接相关。 国防武器装备的发展赋予高温摩擦学新的使命。高温摩擦学涉及陆、海、空、天等多种武器装备，如坦克、火炮、鱼雷、导弹、卫星等高温运动部件中的高温轴承、气缸衬套、阀门、滑块等。我国为应对复杂多变的国际形势，迫切需要研发新一代的武器装备，要求高温润滑工况更加苛刻、性能更加高端、运行更加可靠。例如，我国正在研制和规划的诸多新一代武器装备要求自润滑材料承载能力更大、有效寿命更长、工作温域更宽、运行速度更高。 随着现代工业的发展，越来越多高新技术领域的机械运动、动力部件要求服役于高温环境中；另外，机械系统的小型化、轻量化、高性能和高效率导致摩擦表面能量密度增加，从而造成摩擦表面温度显著升高。毫无疑问，必须运用高温摩擦学知识来解决这些相关的高温摩擦磨损问题。由此可见，高端装备的研制在一定程度上依赖于高温摩擦学的研究，同时高端装备的应用也促进了高温摩擦学的发展。 1.2 高温摩擦学研究进展 1.2.1 高温摩擦学理论 高温摩擦磨损理论以固体摩擦理论为基础，研究高温条件下相对运动的接触表面之间的相互作用。高温摩擦学问题中往往各种因素错综复杂，涉及多学科的交叉耦合，极为苛刻的高温摩擦环境又使得准确测试评估难度加大，因此高温摩擦磨损理论发展缓慢，仍然缺乏系统深入的研究。 早期的摩擦理论研究以达 芬奇(Da Vinci)、阿蒙东(Amontons)和库仑(Coulomb)为代表，从试验为基础的经验研究模式中归纳出经典摩擦公式。20世纪20年代后，现代摩擦理论从机械-分子共同作用的观点出发较完整地发展了固体摩擦理论，特别是英国的鲍登(Bowden)和泰伯(Tabor)建立了较完整的黏着-犁沟摩擦理论以及苏联学者克拉盖尔斯基(Крагелъский)提出的摩擦二项式定律。高温磨损理论从20世纪50年代开始得到持续发展。英国的鲍登和泰伯提出了黏着磨损理论，苏联的Хрущов和Бабичев发展了磨粒磨损理论，苏联以克拉盖尔斯基为代表创建了疲劳磨损理论，美国的苏(Suh)建立了剥层磨损理论，苏联的卡斯杰茨基(Кост пк й)和德国的弗莱舍尔(Fleischer)发展了能量磨损理论，以及英国的奎恩(Quinn)和斯托特(Stott)建立了氧化磨损理论。这些理论奠定了高温摩擦磨损理论研究的基础，解释了一些摩擦磨损现象，并对材料的高温摩擦学行为研究起到了重要的指导作用。但与此同时，上述理论也存在局限性：这些理论均是根据一定的实验检测结果来建立物理模型，再经过相关理论推导出摩擦和磨损计算公式，然而，影响高温摩擦和磨损的因素繁多，所建立的公式不可避免地包含一些目前还难以确定的变量，在实际应用中受到很大的局限。 高温润滑理论以固体润滑理论为基础，主要研究高温固体润滑剂的作用机理。尽管固体润滑理论不像流体润滑理论那样成熟，但在固体润滑理论方面的研究也已经得到重视，特别是对固体润滑剂作用机理的研究。经过长时间的努力，固体润滑机理的认知不断深入，固体润滑剂的种类不断扩充，从广为人知的石墨和锡发展到二硫化钼等具有弱层间结合力的层状结构物质以及贵金属金、银等能够发生晶间滑移的软金属，再发展到高温时发生软化的金属氟化物和氧化物，特别是近年来发现了一些新颖的无机含氧酸盐。此外，固体润滑剂间的协同效应和高温润滑方式的研究也日益受到重视。 1.2.2 高温自润滑材料 传统润滑油的*高使用温度不超过250℃，聚合物类润滑材料的极限使用温度为400℃，更高温度的机械润滑只能通过固体润滑实现，此时可选用的润滑材料和技术的范围迅速变窄，高温固体润滑应运而生。高温固体润滑是指利用固体润滑粉末、薄膜或复合材料隔开两个摩擦表面间的直接接触，降低高温环境中相对运动时的摩擦和磨损。高温固体润滑是在流体润滑、气体润滑和传统润滑油脂以及有机润滑材料无法满足机械运动部件的高温润滑需求情况下，利用具有自润滑性能的材料来解决和减缓机械运动部件的高温摩擦磨损问题。 高温自润滑材料是以金属或陶瓷为基体组元，加入润滑组元和一些辅助组元，按照一定的组成原则，通过一定工艺制备而成的具有一定强度和润滑性能的复合材料[2，4，10]。它兼有基体组元的机械性能和固体润滑剂的摩擦学特性，可根据工况要求设计成分，一方面具有较高的强度和硬度，能够提高接触摩擦副的耐磨损性能；另一方面又具有润滑的效果，在摩擦副之间形成固体润滑膜，减小摩擦副的摩擦系数和稳定摩擦功耗，实现润滑的目的。鉴于其综合性能优异，高温自润滑材料适宜在各种不同的大气环境、化学环境、电气环境、高温、低温、高真空、强辐射等特殊工况下工作。 高温自润滑材料可分为高温自润滑合金、高温自润滑复合材料和高温自润滑涂层。高温自润滑合金主要通过制备过程中原位生成或通过摩擦化学反应来诱导生成具有润滑性能的化合物来实现自润滑功能，相关研究集中于软质金属氧化物(如氧化铼、氧化钼、氧化钒等)和硫化物的润滑性能和原位再生机理。高温自润滑涂层*具代表性的工作为美国国家航空航天局(NASA)研制的PS系列涂层以及美国空军研究实验室(AFRL)研制的自适应性系列涂层[3，11-17]。NASA从*初的PS100系列涂层发展到PS300系列涂层，又在PS304的基础上开发了*新的第四代自润滑涂层PS400，它具有更好的尺寸稳定性和高温自润滑性[11-14]。AFRL*先研制了氧化物基(主要为YSZ及Al2O3)自适应性涂层，随后氮化物基自适应性涂层也相继被报道，如Mo2N-MoS2-Ag、VN-Ag、NbN-Ag及TaN-Ag涂层，自适应性高温润滑涂层表现出良好的宽温域润滑性能[3，15-17]。其他的高温自润滑涂层也被开发，如Ni-hBN高温自润滑涂层、NiMoAl-Ag高温自润滑涂层、Ni3Al基高温自润滑涂层等[18-20]。高温自润滑复合材料的研究也得到突破。早期，NASA提出了使用复合润滑剂的理念，研制了PM212高温自润滑复合材料，实现了室温到900℃的连续润滑[21]；此后，PM300高温自润滑复合材料被开发[22]。日本开展了氧化锆基高温自润滑复合材料的工作，研究了其室温到800℃的摩擦磨损性能[23]。近年来，中国科学院兰州化学物理研究所开展了室温到1000℃的高温自润滑复合材料的研究工作，一系列的镍基高温自润滑复合材料、金属间化合物基高温自润滑复合材料和陶瓷基高温自润滑复合材料得到开发[24-29]。国内其他高校，如哈尔滨工业大学、西安交通大学、南京理工大学、武汉理工大学等也进行了高温自润滑复合材料的相关研究，取得了一些较好的研究结果[30-33]。 总体而言，近年来高温自润滑材料的研究取得了一定的进展，高温自润滑材料的种类不断更新，性能不断提高。然而，目前开发的高温自润滑材料的综合性能难以达到苛刻工况的要求；另外，国内相关高温自润滑材料的应用研究积累较薄弱，与国外相比尚存在一定差距。 1.2.3 高温耐磨损材料 材料的高温耐磨损性能是高温机械摩擦副设计的重要指标之一。目前，成熟应用的高温耐磨损材料主要包括铁基、镍基和钴基系列高温合金。其中，铁基合金高温下磨损表面容易形成一层疏松易剥落的氧化层，因此其高温耐磨损性能较差，使役温度较低。另外，铁基合金多用于机械设备表面防护、模具制造以及动传输系统和水压循环系统的管道、阀门、叶片等领域，其应用环境多面临气体或流体颗粒的冲蚀磨损，因此现有的关于铁基合金高温磨损性能的研究主要集中在耐冲蚀和高温磨粒磨损性能两个方面。而镍基和钴基合金高温抗氧化性能优异，高温条件下磨损表面易形成一层釉质保护层，因此，高温耐磨损性能优异。其中Inconel系列镍基合金、Incoloy系列镍基合金和Stellite系列钴基合金被广泛地应用于航空航天、核能和化工领域，相应的高温耐磨损性能已经得到广泛研究。此外，研究者在此基础上还开发了诸多的镍基和钴基防护涂层，如NiCrBSi系列涂层、NiCr-Cr3C2系列涂层、Stellite 6和Stellite 21合金堆焊涂层等。 材料轻质化是实现装备轻量化和高性能的关键要素之一，而发展新型高温耐磨损轻质材料是世界各国材料研究计划的重要内容。一方面，改善现有材料体系的耐磨损性能。在现有的高温铝基(Al-Si、Al-Fe-V-Si和Al-Cu)和镁铝基合金(AZ91D合金)中添加硬质颗粒相(如TiB2、SiC)来提高其耐磨损性能。另一方面，探索新的耐磨损材料体系，例如，金属间化合物由于其优异的轻质、耐高温、抗氧化、耐磨损等特性，成为新一代轻质