熱帶海洋鹽霧氣氛自潤(rùn)滑耐磨防腐涂層技術(shù)研究新進(jìn)展

羅一旻,楊軍華,李 霞,,譚 生,王 偉,羅荘竹*,張廣安,張俊彥

(1.中山大學(xué)材料學(xué)院,廣東深圳 518107;2.南京電子技術(shù)研究所,江蘇南京 210039;3.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000)

隨著國(guó)家“南海海洋縱深開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略規(guī)劃實(shí)施，國(guó)家海洋戰(zhàn)略使命由近海擴(kuò)展到遠(yuǎn)海及大洋，由我國(guó)自主研制的高技術(shù)裝備已陸續(xù)列裝南海，進(jìn)入大批量服役階段.海洋鉆井平臺(tái)、海上風(fēng)電/核電、艦船和港口機(jī)械等國(guó)防與海工裝備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)部件直接暴露服役于海洋大氣氛圍中，受海洋氣氛的化學(xué)/電化學(xué)引起的腐蝕以及力學(xué)因素引起的摩擦磨損交互作用，急劇加速了金屬材料的損傷失效.目前的海洋工程材料(如耐候鋼、鈦合金和鋁合金等)還不能完全滿足海洋裝備外暴露傳動(dòng)系統(tǒng)/部件的高可靠性與長(zhǎng)壽命運(yùn)行要求[1].因此，如何解決海洋鹽霧氣氛中運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)/傳動(dòng)部件所面臨的腐蝕與磨損協(xié)同損傷是海洋工程裝備領(lǐng)域亟待解決的共性技術(shù)難題.

1 熱帶海洋氣氛摩擦腐蝕挑戰(zhàn)

1.1 我國(guó)四大海域環(huán)境條件

我國(guó)大陸邊緣的渤海(內(nèi)海)、黃海、東海和南?；ハ噙B成一片，其海洋大氣具有動(dòng)態(tài)性和地域性等特點(diǎn)，受地球經(jīng)緯度和海岸地理?xiàng)l件影響，溫度、濕度、輻照度、氯離子濃度和鹽度等主要環(huán)境因子及其耦合作用對(duì)材料服役行為的影響差異很大[2].其中四大海洋環(huán)境參數(shù)列于表1中。

表1 中國(guó)四大海域海洋環(huán)境參數(shù)[3]Table 1 Marine environmental parametersof the four major sea areas in China

渤海(盤(pán)錦-唐山-天津-東營(yíng))為近封閉的內(nèi)海，常年平均氣溫10.7℃，夏季水溫24～25℃，冬季水溫0℃左右，普遍有結(jié)冰現(xiàn)象，河口及灘涂區(qū)多堆積冰(高度可達(dá)2～3米)，冰期1～3個(gè)月不等.3月初融冰時(shí)還常有大量流冰發(fā)生，流速為50 cm/s左右.渤海海水鹽度僅為0.3%，海面風(fēng)浪較小)[4].整體來(lái)說(shuō)，渤海區(qū)域艦船及武器裝備面臨的腐蝕工況較弱(低溫、低濕、低鹽、低紫外和弱臺(tái)風(fēng))，但在嚴(yán)酷的冬季，海洋工程裝備外暴露部件及其防護(hù)涂層是否能經(jīng)受高低溫交變及極限低溫冰凍(?20℃)，鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)物及船用鋼表面能否耐冰層沖擊/刮擦[5-6]，是渤海區(qū)域海洋環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵難點(diǎn).

黃海海域(青島-日照-連云港-鹽城)溫度季節(jié)變化較為明顯，1月最低(?2～6℃)，8月最高(25～27℃).其水溫年變化小于渤海(15～24℃)，海水鹽度也比較低(3.2%)，且流入黃海的各河攜帶泥沙過(guò)多.黃海易受臺(tái)風(fēng)侵襲，水中含氧量為四大海域最高(達(dá)5.9 ml/L)[4].通過(guò)分析以上數(shù)據(jù)，黃海腐蝕工況較渤?？量?，主要是溫度、鹽度及水含氧量有所提高，風(fēng)力增強(qiáng)且伴隨泥沙沖刷.此海域服役的海洋裝備需選用具有一定防腐蝕效果的表面防護(hù)手段，比如海洋鉆井平臺(tái)生活艙室常出現(xiàn)結(jié)露/凝水情況而引起金屬腐蝕與電氣絕緣降低，需采用有機(jī)涂層等具有絕緣耐蝕的防護(hù)手段；鉆井平臺(tái)的樁腿、海管和動(dòng)力定位系統(tǒng)[7]還應(yīng)具備一定抗顆粒物沖刷性能，需考慮并選用“底+中+面漆”3層體系防護(hù)技術(shù).

東海(舟山-寧波-福州-廈門(mén))是中國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)的海洋戰(zhàn)略要地，屬于亞熱帶和溫帶氣候，有較高水溫(年平均水溫20～24℃)和較大的鹽度(3.4%左右)，水中氧含量也較高(5.2～5.6 ml/L)[4]，且海中浮游生物的生長(zhǎng)茂盛.相比渤海與黃海海域，東海海域腐蝕條件明顯增強(qiáng)(中溫、中濕、中鹽、較強(qiáng)紫外和較強(qiáng)臺(tái)風(fēng))，海洋裝備部件需根據(jù)自身不同服役工況，針對(duì)性選擇適宜的防腐蝕方案，比如海洋鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)件(靜止暴露)受鹽霧腐蝕、紫外照射和臺(tái)風(fēng)/海浪水霧沖刷等影響，其使用壽命大大降低；而升降滑軌、傳動(dòng)齒輪和樁腿/導(dǎo)管接頭中的連接螺栓及系泊鏈(運(yùn)動(dòng)暴露)則同時(shí)面臨磨損與腐蝕的雙重考驗(yàn)[7]，須重點(diǎn)研究其磨損腐蝕失效行為機(jī)理，并用耐磨防腐涂層材料進(jìn)行表面防護(hù).

南海海域(廣東-湛江-三亞-西/南沙群島)接近赤道，接受太陽(yáng)輻射的熱量較多，南海的年日照輻射總量接近7 000 MJ/m2，約是其它海域的1.5～1.7倍；年平均溫度高達(dá)27.5℃，約是其它海域的1.7～2.7倍；一年中氣溫大于30℃的天數(shù)高達(dá)160天，約是其它海域的3.0～25.5倍；年平均降雨量約是其它海域的1.3～2.4倍.南海是我國(guó)最深、最大的半封閉海，相比渤海、黃海及東海具有更為復(fù)雜多變的熱帶海洋性氣候特點(diǎn)，濕度常年高達(dá)90%RH，海水鹽度高達(dá)3.5%[8]，其氣氛環(huán)境具有更高的飽和蒸氣壓及鹽霧濃度(＞300 mg/m2d).在亞熱帶氣候的萬(wàn)寧試驗(yàn)點(diǎn)暴露試驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)Q235和Q345碳鋼由于高氯離子含量致使銹層結(jié)構(gòu)疏松[9-10]；海洋平臺(tái)高濕高鹽的鹽霧氣氛對(duì)航空鋼表面電鍍Cd層穿透性更強(qiáng)，腐蝕更加嚴(yán)重[11].南海諸島在夏秋兩季還常受強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響，臺(tái)風(fēng)狂虐，裹挾暴雨，掀起巨浪，給海工裝備的承力結(jié)構(gòu)物、連接緊固件/焊縫和運(yùn)動(dòng)滑軌/齒輪傳動(dòng)部件的使用可靠性帶來(lái)極大挑戰(zhàn).針對(duì)南海高溫、高濕、高鹽及高紫外輻照的熱帶海洋區(qū)域，伴隨海浪飛濺、泥沙沖刷及強(qiáng)臺(tái)風(fēng)沖擊等極端苛刻工況，南海海洋裝備需經(jīng)歷比其他海域更為復(fù)雜和嚴(yán)酷的貯存、運(yùn)輸和服役環(huán)境，南海工程性防護(hù)材料的性能數(shù)據(jù)及規(guī)律仍極度匱乏，其熱帶海洋環(huán)境適應(yīng)性考核體系亟待建立.

1.2 海洋裝備面臨嚴(yán)峻摩擦腐蝕挑戰(zhàn)

近年來(lái)，由我國(guó)自主研制的高技術(shù)裝備已陸續(xù)應(yīng)用于南海海域，大批量進(jìn)入服役階段.崔中雨等[12]討論了南海大氣苛刻環(huán)境中有色金屬和輕合金等海工材料的腐蝕機(jī)制，董從林等[13]探討了金屬、高分子和陶瓷等整體材料在海水介質(zhì)中的摩擦學(xué)問(wèn)題.然而，在南海海域服役的海洋裝備外暴露關(guān)鍵摩擦副零部件受海洋鹽霧氣氛的化學(xué)/電化學(xué)引起的腐蝕以及力學(xué)因素引起的摩擦磨損交互作用，將急劇加速其損傷失效[14-16].目前的海洋工程用材料(如耐候鋼、銅合金、鋁合金和鈦合金等)還不能完全滿足海洋裝備外暴露傳動(dòng)系統(tǒng)/部件在熱帶海洋氣氛下高可靠性和長(zhǎng)壽命運(yùn)行的要求[17-19].傳統(tǒng)3層防護(hù)的防腐涂層技術(shù)(涂層厚度>400μm)與表面處理技術(shù)(氧化、磷化、鍍鉻、鍍鋅、鍍鎳、鍍鎘及鹽浴氮化等)一定程度上可以提升工程金屬材料的耐蝕性及服役壽命，但仍然難以滿足海洋高技術(shù)裝備高沖擊和高承載運(yùn)動(dòng)/傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際工程需求.

目前，涉及摩擦磨損與腐蝕交互作用的海洋裝備部件失效難題亟待解決，比如，內(nèi)陸用高技術(shù)裝備于南海海域首次試用，僅靜置72 h后，其焊縫和螺栓緊固件等部位(傳統(tǒng)防腐漆防護(hù))即出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的滑軌、彈簧及鍵/銷(xiāo)等關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件于200 h后出現(xiàn)潤(rùn)滑油降解及基材腐蝕磨損現(xiàn)象.海上航行體的制動(dòng)輪機(jī)、活塞桿、支撐接頭以及軸承/軸套在其運(yùn)行過(guò)程中同時(shí)經(jīng)歷干濕交替與摩擦磨損作用，大型海工裝備的高沖擊滑軌和高承載齒輪/齒條則長(zhǎng)期受到高沖擊載荷、應(yīng)力腐蝕以及摩擦磨損的疊加作用.海上風(fēng)電機(jī)組從發(fā)電機(jī)到齒輪箱以及變槳距機(jī)構(gòu)整個(gè)傳動(dòng)鏈都安裝了運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，涉及復(fù)雜的滑軌及齒輪等傳動(dòng)設(shè)計(jì)，現(xiàn)采用的傳統(tǒng)油脂潤(rùn)滑方案在海洋鹽霧氯離子和高溫水汽作用下極易發(fā)生油脂降解而引起傳動(dòng)部件的摩擦-腐蝕損傷甚至失效，極大威脅著風(fēng)機(jī)電阻的傳感監(jiān)測(cè)安全.海上鉆井平臺(tái)輕量化高技術(shù)裝備常采用鋁-碳鋼異類金屬耦合的承力底座設(shè)計(jì)，在沖擊和振動(dòng)作用下會(huì)發(fā)生摩擦和磨損，且未采用任何防腐處理的底盤(pán)基座會(huì)因發(fā)生電偶腐蝕而加速裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)散，甚至導(dǎo)致基座開(kāi)裂而損壞.尤其在高溫高濕高鹽的熱帶海洋鹽霧氣氛條件下，各影響因子間的耦合加速失效作用更加猛烈[20].針對(duì)與熱帶海洋氣氛直接接觸的機(jī)械開(kāi)放運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)/部件，其摩擦磨損問(wèn)題主要通過(guò)自潤(rùn)滑涂層技術(shù)解決，腐蝕問(wèn)題也主要通過(guò)絕緣耐蝕涂層材料技術(shù)解決.但是，由于摩擦磨損產(chǎn)生的新的表面活性高，會(huì)加快腐蝕速率，如加速氯離子滲透并與亞表面甚至深層材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而腐蝕產(chǎn)生的孔洞或異質(zhì)相晶界弱化材料力學(xué)性能，加快磨損速率.因而，熱帶海洋氣氛下的開(kāi)放運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)/部件的磨損與腐蝕是耦合損傷(圖1)，需要發(fā)展兼具有自潤(rùn)滑與防腐功能的涂層材料與技術(shù)，同時(shí)解決摩擦磨損和腐蝕問(wèn)題.

2 自潤(rùn)滑涂層技術(shù)的海洋應(yīng)用研究現(xiàn)狀

自潤(rùn)滑(亦稱為固體潤(rùn)滑)涂層技術(shù)具有優(yōu)異的減摩耐磨性能，是解決機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)/部件摩擦、磨損、燒蝕及疲勞失效等難題的有效途徑之一[21-24].目前基礎(chǔ)研究與應(yīng)用方面較成熟的自潤(rùn)滑技術(shù)包括潤(rùn)滑脂、硬質(zhì)碳基薄膜、陶瓷涂層、輕合金微弧氧化涂層、MoS2基粘結(jié)涂層和功能一體化高分子涂層等，主要針對(duì)航空航天、核電及軍工高技術(shù)裝備的傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的潤(rùn)滑性能提升與可靠性保障[25-27].隨著海洋科技的迅猛發(fā)展以及海洋工況的復(fù)雜、多變，傳統(tǒng)單一組分的潤(rùn)滑薄膜材料面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[23,28]，學(xué)者們針對(duì)自潤(rùn)滑技術(shù)的海洋應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究工作.

2.1 硬質(zhì)自潤(rùn)滑薄膜技術(shù)研究進(jìn)展

硬質(zhì)自潤(rùn)滑薄膜包括采用物理/化學(xué)氣相沉積、磁控濺射以及真空離子鍍等方法制備的碳基薄膜、陶瓷涂層和輕合金微弧氧化涂層等自潤(rùn)滑耐磨涂層材料，在高承載高速工況下表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤(rùn)滑減摩耐磨性能以及較好的化學(xué)惰性，具有良好的工程應(yīng)用前景[29].在真空和惰性環(huán)境中，高氫化的類金剛石(DLC)薄膜顯示出超低摩擦系數(shù)(μ＜0.01)[30]，其機(jī)理可歸因于原子尺度的摩擦界面化學(xué)反應(yīng)[31-32].張俊彥等[33]研發(fā)的類富勒烯結(jié)構(gòu)DLC涂層表現(xiàn)出超長(zhǎng)壽命(>1.8×105循環(huán))和超低磨損率[2.2×10?8mm3/(N·m)]，然而高度sp3雜化的DLC涂層的摩擦系數(shù)和黏附性能受到環(huán)境條件影響顯著[34].研究表明，DLC涂層在水中的磨損隨著氫濃度的增加而增加[35]，通過(guò)Si摻雜構(gòu)筑多層結(jié)構(gòu)DLC薄膜可在一定程度上降低磨損率[36].對(duì)于潮濕大氣環(huán)境，張廣安等[37]通過(guò)第一性原理計(jì)算和模型擬合來(lái)研究水蒸汽壓力下摩擦過(guò)程時(shí)，滑動(dòng)界面吸附的水分子變化，揭示了DLC涂層摩擦系數(shù)隨水蒸汽壓力變化的內(nèi)在機(jī)制，建立了摩擦系數(shù)與氣體壓力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，該模型的建立為DLC涂層于海洋鹽霧氣氛環(huán)境的摩擦預(yù)測(cè)提供了良好的基礎(chǔ).

Fig.1(a)Offshore platform graph;(b)offshore wind power graph;(c)warship graph;(d)amphibiousaircraft graph;(e)friction and corrosion challengeof tropical offshore engineering equipments圖1(a)海上鉆井平臺(tái)照片；(b)海上風(fēng)電照片；(c)艦船照片；(d)水陸兩棲飛機(jī)照片；(e)熱帶海洋工程裝備面臨的摩擦腐蝕挑戰(zhàn)

針對(duì)海洋海水腐蝕磨損工況，薛群基和王立平等[38]研究了316L鋼基WC/Ni60涂層、F690鋼基TiSiNCu納米復(fù)合涂層[39]以及304鋼基(Cu，Ce)/Ti-DLC膜等[40]硬質(zhì)自潤(rùn)滑薄膜在人工海水中的摩擦磨損行為及電化學(xué)腐蝕參數(shù).以上研究表明，通過(guò)構(gòu)筑力學(xué)傳遞合理的多層結(jié)構(gòu)[41]，可有效延長(zhǎng)硬質(zhì)自潤(rùn)滑薄膜在海水環(huán)境下的耐磨壽命，但該類涂層應(yīng)用于工程環(huán)境時(shí)，一旦被碰傷或穿透，其組分-組分之間以及涂層-基材之間的電極電位差可能會(huì)誘導(dǎo)電偶腐蝕，引起界面失效.針對(duì)海洋鹽霧腐蝕磨損工況，研究學(xué)者通過(guò)對(duì)比304不銹鋼、GCr15和9Cr18三種基底表面上Ti摻雜含氫DLC薄膜在鹽霧試驗(yàn)后的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)后兩種基底薄膜的摩擦壽命降低約50%[42].利用Pb/Ti金屬?gòu)?fù)合相對(duì)MoS2氧化的抑制作用，構(gòu)筑MoS2/Pb-Ti納米多層薄膜可有效提升MoS2基自潤(rùn)滑薄膜的熱帶海洋環(huán)境適應(yīng)性，其于南海島嶼暴露6個(gè)月后仍然保持較低的摩擦系數(shù)與一定耐磨壽命[43].以上研究表明，設(shè)計(jì)力學(xué)傳遞合理、界面匹配、結(jié)構(gòu)致密且化學(xué)性能穩(wěn)定(抗氧化)的自潤(rùn)滑硬質(zhì)薄膜是保障其海洋環(huán)境適應(yīng)性(耐鹽霧、耐海水性能)和突破海洋工程應(yīng)用極限的關(guān)鍵之一.前人通過(guò)模擬自潤(rùn)滑技術(shù)的不同應(yīng)用工況(摩擦速度、承載應(yīng)力和摩擦方式等)，研究了DLC薄膜和陶瓷涂層等自潤(rùn)滑硬質(zhì)薄膜材料在潮濕大氣、鹽霧、鹽水或其他腐蝕介質(zhì)中的摩擦磨損行為，以及腐蝕介質(zhì)環(huán)境對(duì)其轉(zhuǎn)移膜形成的影響機(jī)制[44-45].但對(duì)于該類薄膜材料在單一電化學(xué)腐蝕(化學(xué)場(chǎng))下的組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及靜態(tài)失效機(jī)制鮮少報(bào)道，作者認(rèn)為，研究揭示薄膜材料在單一熱場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)下的組織結(jié)構(gòu)演變機(jī)理，或許有助于理解其在磨損腐蝕工況(熱-力-化場(chǎng)耦合作用)下的動(dòng)態(tài)損傷失效機(jī)理并提出有效的防護(hù)設(shè)計(jì)原理.

近年來(lái)我國(guó)大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，輕量化的海洋裝備制造業(yè)蓬勃發(fā)展，但新型高強(qiáng)度輕合金在海洋鹽霧氣氛的靜態(tài)腐蝕工況下易發(fā)生點(diǎn)蝕和晶間腐蝕，導(dǎo)致合金材料的力學(xué)性能快速劣化[46].研究報(bào)道了TC4鈦合金在海水動(dòng)態(tài)磨損腐蝕條件(力-化學(xué)場(chǎng))下的總腐蝕磨損量明顯大于其在陰極保護(hù)條件(力場(chǎng))下的純磨損量(占總腐蝕磨損量的65.9%～89.8%)，量化地證明了海洋腐蝕介質(zhì)磨損-腐蝕工況下輕合金的“化學(xué)-力場(chǎng)”耦合損傷效應(yīng).因此，針對(duì)輕合金傳動(dòng)/運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵部件表面，發(fā)展自潤(rùn)滑耐磨防腐功能一體化的動(dòng)態(tài)防護(hù)涂層技術(shù)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一.陽(yáng)極氧化與微弧氧化(MAO)是提高鋁、鎂和鈦等輕合金表面硬度及耐蝕性的常用技術(shù)手段，微弧氧化還因具有表面零增量(向內(nèi)生長(zhǎng))的技術(shù)優(yōu)勢(shì)被廣泛采用[47-48].雖然陽(yáng)極氧化與MAO涂層材料通常鈍化且化學(xué)性能穩(wěn)定，相比于前述碳基薄膜的環(huán)境敏感性有一定優(yōu)勢(shì)，但在其加溫電解制備過(guò)程中常常會(huì)產(chǎn)生氣體而生成多孔層結(jié)構(gòu)，這極不利于阻擋腐蝕介質(zhì)的滲透，容易在涂層-基材界面處發(fā)生腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)載下的結(jié)合失效問(wèn)題.趙文杰等[49]發(fā)現(xiàn)具有納米管結(jié)構(gòu)的TC4陽(yáng)極膜由于其較高的比表面積和較大的毛細(xì)作用力而顯示出較差的防腐性能.

研究表明，不管是DLC薄膜、MoS2基硬質(zhì)薄膜[50-51]、陶瓷涂層[52-54]或是輕合金微弧氧化膜[55]，在其加溫濺射、熱噴涂、離子鍍及電解沉積等制備過(guò)程中常常產(chǎn)生孔隙等缺陷結(jié)構(gòu)，當(dāng)這些自潤(rùn)滑硬質(zhì)薄膜應(yīng)用于高溫高濕高鹽的海洋鹽霧氣氛環(huán)境時(shí)，腐蝕介質(zhì)一方面穿過(guò)表面微孔及涂層內(nèi)部孔隙缺陷到達(dá)基體發(fā)生腐蝕；另一方面在裂縫和蝕孔內(nèi)部形成“閉塞電池”，在閉塞區(qū)內(nèi)發(fā)生貧氧、酸化和氯離子富集，在閉塞區(qū)外由于電化學(xué)條件的差異產(chǎn)生自催化加速腐蝕效應(yīng).綜上所述，僅靠單一的硬質(zhì)薄膜技術(shù)尚難以獨(dú)立、有效地滿足高溫高濕高鹽的熱帶海洋鹽霧氣氛下裝備關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件(齒輪、軸、導(dǎo)軌等)的動(dòng)態(tài)摩擦-磨損-腐蝕長(zhǎng)壽命及高可靠性保障.為了彌補(bǔ)上述不足，前人對(duì)DLC薄膜、MoS2基硬質(zhì)薄膜、CrN涂層以及MAO涂層等自潤(rùn)滑硬質(zhì)薄膜開(kāi)展了改性填充和摻雜封孔等復(fù)合增強(qiáng)研究，通過(guò)構(gòu)筑多相或多層致密結(jié)構(gòu)，優(yōu)化力學(xué)承載性，提升涂層在空氣、鹽霧和鹽水環(huán)境下的摩擦磨損服役長(zhǎng)效性.薛群基和王立平等[56]通過(guò)Zr摻雜方法有效改善了MoS2涂層在高濕環(huán)境下的化學(xué)穩(wěn)定性與減磨耐磨性.張廣安等[57-60]在MoS2薄膜基礎(chǔ)上引入Ti和Pb元素，設(shè)計(jì)構(gòu)筑復(fù)合及多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)控制備工藝提高了薄膜的致密性以及抗氧化性，在交變濕度環(huán)境下表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能.王鵬等[61]制備出具有納米級(jí)周期性自組裝多層結(jié)構(gòu)的Mo-S-C-N復(fù)合薄膜，使薄膜表面硬度提升了近3倍(9.76 GPa)，空氣條件下顯示出較低的磨損率.以上研究工作對(duì)于未來(lái)將二硫化鉬基硬質(zhì)薄膜技術(shù)拓展應(yīng)用至海上運(yùn)輸和發(fā)射航天器關(guān)鍵部件等工程領(lǐng)域具有重要意義.李焰和李金龍等[62-63]則提出了插入夾層的設(shè)計(jì)思路，利用多層結(jié)構(gòu)構(gòu)筑復(fù)雜的穿透路徑及提升涂層力學(xué)強(qiáng)度，有效延長(zhǎng)了鹽霧條件下NiCr-Cr3C2金屬-陶瓷復(fù)合涂層以及海水條件下TiSiN/Ag納米多層涂層的耐磨壽命.陳俊鋒[55]等和尹登峰等[64]通過(guò)在MAO涂層表面原位合成MgFe-LDH(層狀雙金屬氫氧化物)納米片或利用CeO2顆粒促進(jìn)鎂合金MAO層的自密封行為來(lái)優(yōu)化MAO涂層的致密結(jié)構(gòu).盡管以上硬質(zhì)復(fù)合涂層的設(shè)計(jì)策略可一定程度抵抗腐蝕介質(zhì)在涂層內(nèi)部滲透，提升涂層抗腐蝕能力，但由于此類硬質(zhì)復(fù)合涂層中存在多種硬-硬界面，遇沖擊載時(shí)容易產(chǎn)生裂紋甚至脫落，或許可以通過(guò)在其表面復(fù)合制備可與之鍵合匹配的軟質(zhì)自潤(rùn)滑涂層吸收沖擊能，同時(shí)降低硬質(zhì)涂層于干摩擦工況下普遍偏高的摩擦系數(shù)(μ＞0.1)，提升硬質(zhì)自潤(rùn)滑涂層的抗沖擊和減摩耐磨能力.

2.2 軟質(zhì)自潤(rùn)滑高分子涂層研究進(jìn)展

陳建敏研究團(tuán)隊(duì)在軟質(zhì)MoS2基粘結(jié)固體潤(rùn)滑涂層材料的制備與應(yīng)用方面開(kāi)展了系統(tǒng)且深入的研究.主要是以MoS2和石墨等作為固體潤(rùn)滑劑，水性環(huán)氧樹(shù)脂、水性聚酰胺酰亞胺以及酚醛環(huán)氧樹(shù)脂等作為粘結(jié)樹(shù)脂，加入填料TiO2和LaF3等制備粘結(jié)型固體潤(rùn)滑涂層材料[65-66].此類樹(shù)脂基的MoS2自潤(rùn)滑涂層可突破基材尺寸及真空/惰性制備環(huán)境要求的限制，廣泛應(yīng)用于航空航天高技術(shù)領(lǐng)域.然而，當(dāng)以上涂層材料應(yīng)用到海洋鹽霧腐蝕氣氛時(shí)，MoS2、石墨或WS2等組分極易吸收水汽或被腐蝕介質(zhì)氧化成復(fù)雜的氧化物，引起涂層腐蝕，摩擦學(xué)性能急劇惡化[67].趙文杰等[68]調(diào)控化學(xué)成分和界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行聚氨酯(PU)改性，制備了具有規(guī)則紋理的功能化石墨烯(FG)增強(qiáng)PU納米復(fù)合涂層，涂層疏水性和物理阻隔作用可減少水與表面之間的接觸和相互作用，同時(shí)增加腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散路徑的曲折性.Surca等[69]通過(guò)加入POSS納米顆粒增強(qiáng)了聚氨酯涂層的彈性和耐磨性.樊小強(qiáng)等[70]構(gòu)筑具有三維形貌的Ti3C2Tx/PANI復(fù)合物并摻雜到環(huán)氧樹(shù)脂中，較顯著地提升了傳統(tǒng)聚氨酯與環(huán)氧防護(hù)體系的耐磨及防腐性能.

羅荘竹等[71]針對(duì)南海裝備所面臨的“摩擦-磨損-腐蝕”共性工程技術(shù)難題，結(jié)合前期在工程防結(jié)冰PTFE/PPS高分子合金涂層的設(shè)計(jì)構(gòu)筑及應(yīng)用性能研究的積累[72]，選用綜合性能良好的改性聚氨酯樹(shù)脂粘結(jié)劑、含氟聚合物填料和混合有機(jī)溶劑，采用傳統(tǒng)的常溫噴涂工藝，利用兩種聚合物組分之間交聯(lián)纏結(jié)，一步成膜制備出化學(xué)穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)致密的軟質(zhì)耐磨防腐高分子涂層材料[圖2(a)].其涂層厚度為30±5μm，僅為傳統(tǒng)3層防護(hù)體系(＞300μm)的1/10，在載荷為11 MPa、轉(zhuǎn)速為1.05 m/s、溫度為25℃、濕度為60%～70% RH的干摩擦測(cè)試條件下，涂層穩(wěn)定摩擦系數(shù)為0.06～0.08，耐磨行程約0.6 km/μm，是傳統(tǒng)聚氨酯型防腐涂層的100倍，而摩擦面溫升僅約45～60℃，隨溫度升高，摩擦系數(shù)不斷降低，可低至0.03～0.04[圖2(b)].

利用中性鹽霧與實(shí)海掛片的研究方法(圖3)，對(duì)涂層的耐鹽霧、化學(xué)穩(wěn)定性及海洋環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了對(duì)比研究.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于鹽霧氣氛中氯離子刻蝕(化學(xué)/電化學(xué)腐蝕的協(xié)同作用)，其涂層表面微米尺度凸起被局部刻蝕而粉化，但涂層仍維持致密的高分子合金體系(無(wú)孔隙、空穴及裂紋)，有效阻止/抑制了Cl?、O2和H2O等腐蝕介質(zhì)的吸附、鋪展及滲透.相比中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)，熱帶海洋大氣暴露試驗(yàn)為海洋鹽霧氣霧、紫外光、氧和熱等多因素耦合的試驗(yàn)方法，雖然其試驗(yàn)周期長(zhǎng)，但可更合理、科學(xué)地評(píng)價(jià)/考核耐蝕涂層的實(shí)際防護(hù)壽命.通過(guò)將中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)、熱帶海洋暴露試驗(yàn)和涂層表面微觀分析手段有機(jī)結(jié)合，根據(jù)涂層在中性鹽霧/海洋氣氛中暴露前后表面組成(C 1s譜峰相對(duì)強(qiáng)度)衰減變化量推算得知，1 200 h中性鹽霧試驗(yàn)相當(dāng)于2.5年實(shí)際熱帶海洋暴露防護(hù)壽命，初步建立了實(shí)驗(yàn)室中性鹽霧與實(shí)際熱帶海洋暴露的對(duì)應(yīng)關(guān)系規(guī)律.海洋裝備表面防護(hù)材料的長(zhǎng)效性一般要求10～30年，為了適應(yīng)南海高溫、高濕的鹽霧環(huán)境，該類具有低膜厚(30～60μm)特點(diǎn)的動(dòng)態(tài)耐磨防腐軟質(zhì)高分子涂層體系的耐鹽霧性能還應(yīng)該進(jìn)一步提升至6 000 h以上.

Fig.2(a)Preparation principle,(b)friction and wear characteristics of polymer alloy wear-resistant and anti-corrosion coatings[71].圖2高分子合金型耐磨防腐涂層的(a)構(gòu)筑原理圖及(b)摩擦磨損特性[71]

Fig.3(a1～a2)Microscopic analysisof polymer alloy coating,(b1～b2)Weizhou Island tropical ocean exposure test and(c1-c4)digital photo of polymer alloy coating performancetest results圖3(a1～a2)高分子合金涂層微觀表征分析、(b1～b2)潿洲島熱帶海洋暴露試驗(yàn)及(c1～c4)高分子合金涂層性能測(cè)試結(jié)果照片

此種低膜厚且熱帶海洋長(zhǎng)效穩(wěn)定的自潤(rùn)滑高分子涂層技術(shù)突破了傳統(tǒng)“底-中-面”高膜厚三層防護(hù)體系的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑技術(shù)與靜態(tài)防腐技術(shù)協(xié)同融合，可能是解決熱帶海洋鹽霧氣氛“高承載-低中速”工況下的磨損-腐蝕耦合損傷的有效手段之一.但由于高分子材料自身的力學(xué)強(qiáng)度有限[73]，導(dǎo)致軟質(zhì)高分子涂層的剪切強(qiáng)度及耐磨壽命難以滿足“重載-高速”摩擦工況的要求，需要發(fā)展與其匹配性良好的復(fù)合增強(qiáng)涂層技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)[74-75].

2.3 硬-軟梯度自潤(rùn)滑防腐涂層研究進(jìn)展

研究表明，通過(guò)在高承載、高硬度涂層表面構(gòu)筑致密屏障防護(hù)層，或利用軟涂層吸收沖擊能可顯著改善涂層的耐腐蝕和耐磨損性能[76].比如，周峰等[77]利用緩蝕劑的抑制作用和疏水膜的物理屏障性，在AZ31鎂合金表面制備出復(fù)合防腐涂層，腐蝕電流為5.764×10?9A/cm2，3.5% NaCl(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液浸泡保護(hù)效率可達(dá)99.7%.此種簡(jiǎn)單、低成本的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合防腐涂層在輕金屬及其合金的防腐方面具有廣闊的應(yīng)用前景.作者所在的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)提出，利用硬質(zhì)碳基薄膜高承載、長(zhǎng)效耐磨的特性與軟質(zhì)聚合物基潤(rùn)滑涂層抗沖擊吸能、低摩擦系數(shù)及化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，將硬質(zhì)碳基薄膜與軟質(zhì)高分子合金涂層協(xié)同匹配，構(gòu)筑“硬-軟”梯度自潤(rùn)滑復(fù)合涂層材料，并針對(duì)“硬-軟”匹配工藝對(duì)材料的摩擦磨損與腐蝕失效行為進(jìn)行了初步探索.在45鋼和316L不銹鋼表面采用非平衡磁控濺射技術(shù)沉積DLC薄膜(2.2～2.8μm)，結(jié)合自潤(rùn)滑防腐涂料氣霧噴涂法及常溫固化工藝，在DLC薄膜表面復(fù)合制備了高分子合金涂層(35～70μm)，對(duì)比觀察基材與硬質(zhì)膜以及硬-軟膜樣品實(shí)海靜態(tài)暴露26個(gè)月的形貌，并通過(guò)往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)實(shí)海暴露樣品表面的摩擦學(xué)性能.對(duì)比結(jié)果如圖4所示，在長(zhǎng)時(shí)間腐蝕化學(xué)場(chǎng)作用下，45鋼基材銹蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)碎屑狀剝落，由于貫穿空隙及晶間裂紋影響，45鋼表面的DLC薄膜能夠保持完整但出現(xiàn)腐蝕斑點(diǎn)，局部發(fā)生脫落，DLC薄膜-高分子合金涂層未發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象，對(duì)45鋼基材表現(xiàn)出較好的腐蝕防護(hù)效果.

3 海洋環(huán)境摩擦-腐蝕模擬評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展

3.1 液體介質(zhì)環(huán)境磨蝕研究方法

Fig.4(a1～a4)Static exposure and (b1～b4)dynamic damage behavior of DLCfilm/polymer alloy composite coating圖4 DLC薄膜/高分子合金復(fù)合涂層(a1～a4)實(shí)海靜態(tài)暴露及(b1～b4)動(dòng)態(tài)損傷行為

通過(guò)前人腐蝕-磨損的模擬試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)腐蝕會(huì)加速涂層材料的磨損失效，降低耐磨壽命[78-79].由于介質(zhì)腐蝕作用使材料表面致密度及力學(xué)性能惡化而加劇材料機(jī)械磨損，而新磨損界面的產(chǎn)生又會(huì)加劇腐蝕過(guò)程[13]，所以單一通過(guò)腐蝕或磨損評(píng)價(jià)無(wú)法獲得“力學(xué)、化學(xué)、電化學(xué)”動(dòng)態(tài)交互作用的腐蝕磨損結(jié)果，必須同步模擬.目前，海洋功能材料的磨-蝕試驗(yàn)方法可以同步測(cè)試電化學(xué)及摩擦磨損參數(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)摩擦磨損及腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)集成，通過(guò)電化學(xué)測(cè)試，控制金屬表面的腐蝕狀態(tài)，評(píng)價(jià)腐蝕和磨損在材料損失過(guò)程的作用[80-85].Zhang等[86]利用銷(xiāo)盤(pán)旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了304SS在不同pH值(7.2～9.2)的含氯溶液中的摩擦腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)由于摩擦產(chǎn)生的機(jī)械去鈍化區(qū)和周?chē)g化區(qū)之間形成電偶，從而加速腐蝕.閻逢元等[87]采用失重法測(cè)量磨損體積損失，利用陰極保護(hù)和電化學(xué)方法測(cè)量摩擦過(guò)程中的腐蝕電流，通過(guò)對(duì)比分析腐蝕磨損總量與陰極保護(hù)條件下的純機(jī)械磨損量，探討了TC4鈦合金和氧化鋁陶瓷摩擦副在模擬海水下的腐蝕磨損耦合損傷機(jī)制.李曉剛和劉二勇等[86]總結(jié)了碳鋼、不銹鋼、銅合金、鈦合金和涂/鍍層等在海水中的磨蝕行為及機(jī)理研究.而在針對(duì)固體潤(rùn)滑涂層/薄膜的摩擦磨損模擬試驗(yàn)方法方面，高溥等[85]利用配備有電化學(xué)工作站的摩擦-腐蝕試驗(yàn)機(jī)，原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了DLC等涂層與氧化鋁陶瓷摩擦副在人工海水環(huán)境下的開(kāi)路電位和摩擦系數(shù)，采用動(dòng)電位掃描法測(cè)試了四種涂層在腐蝕和摩擦-腐蝕過(guò)程中的電化學(xué)行為；Iwabuchi等[88]采用電位躍階(PPM)的方法來(lái)評(píng)價(jià)腐蝕磨損鈍化膜的破壞面積以及腐蝕電流密度，初步探索了腐蝕磨損交互作用的定量評(píng)價(jià)方法.華敏奇等[89]針對(duì)涂層/薄膜材料在不同載荷、頻率及溫度下在腐蝕介質(zhì)中以高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用研制的MFT-EC4000往復(fù)電化學(xué)腐蝕摩擦磨損試驗(yàn)儀對(duì)其進(jìn)行摩擦性能、腐蝕性能和耐磨強(qiáng)度的定量評(píng)價(jià)，通過(guò)將摩擦試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕兩套系統(tǒng)進(jìn)行整合，完成同步、原位、實(shí)時(shí)腐蝕-摩擦數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)分析.

3.2 中性鹽霧與海洋大氣暴露試驗(yàn)方法

盡管上述磨蝕試驗(yàn)方法可以較定量地評(píng)價(jià)自潤(rùn)滑材料及薄膜/涂層在人工海水或其他液體介質(zhì)環(huán)境的磨損-腐蝕行為，但并不適用于海洋氣氛環(huán)境的摩擦-磨損-腐蝕行為測(cè)試.李曉剛等[90]總結(jié)分析了海洋新型耐蝕鋼鐵材料的海洋暴露試驗(yàn)和中性鹽霧加速試驗(yàn)等研究方法及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀.王榮祥等提出了異種結(jié)構(gòu)材料電偶腐蝕行為的熱帶海洋大氣環(huán)境室外暴曬試驗(yàn)研究方法[91].目前，針對(duì)海洋鹽霧氣氛磨損腐蝕試驗(yàn)研究方法，報(bào)道較多的是“靜態(tài)腐蝕+動(dòng)態(tài)磨損”2步法測(cè)試，即先開(kāi)展一段時(shí)間的室內(nèi)加速模擬試驗(yàn)(中性鹽霧)或?qū)嵑１┞对囼?yàn)，再利用專業(yè)摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦系數(shù)和磨損率/耐磨壽命等測(cè)試[92-93].王鵬等[42]利用球-盤(pán)摩擦試驗(yàn)機(jī)考察了Ti摻雜含氫DLC薄膜在經(jīng)過(guò)不同時(shí)間中性鹽霧試驗(yàn)后的摩擦學(xué)性能.薛群基和王立平等[43]將涂層樣品放置在位于中國(guó)南海海域及西沙群島東部永興島上的南海海洋大氣試驗(yàn)基地進(jìn)行6個(gè)月的掛片暴曬試驗(yàn)后，利用CSM 球盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用往復(fù)式滑動(dòng)方式評(píng)價(jià)涂層摩擦系數(shù)與磨損率變化.以上研究表明，“靜態(tài)腐蝕+動(dòng)態(tài)磨損”2步法的測(cè)試結(jié)果可一定程度地反映腐蝕工況對(duì)涂層材料減摩耐磨性能的弱化作用，但該分步測(cè)試評(píng)價(jià)方法仍無(wú)法模擬真實(shí)的海洋鹽霧氣氛所特有的磨損-腐蝕耦合效應(yīng).因此，為了揭示自潤(rùn)滑涂層在熱-力-化學(xué)耦合作用下的動(dòng)態(tài)失效本質(zhì)(圖5)，亟需建立實(shí)際熱帶海洋鹽霧氣氛下涂層摩擦、磨損、腐蝕及電化學(xué)腐蝕行為的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)試手段/方法.

3.3 熱帶海洋氣氛摩擦磨損實(shí)海在線監(jiān)測(cè)新方法

基于中性鹽霧與實(shí)海掛片等靜態(tài)試驗(yàn)方法[94-95]以及傳統(tǒng)液體介質(zhì)浸泡式“磨-蝕”測(cè)試與電化學(xué)分析方法[96]的局限性，綜合考慮熱帶海洋氣氛所特有的高濕、高鹽霧、強(qiáng)紫外和強(qiáng)活性氧等化學(xué)場(chǎng)與沖擊-摩擦、摩擦磨損等力場(chǎng)的耦合損傷特點(diǎn)，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出一種熱帶海洋氣氛摩擦磨損實(shí)海在線監(jiān)測(cè)新方法(圖6).利用氣象儀器檢測(cè)環(huán)境溫度、濕度和氯離子濃度等參數(shù)，采用高速高載沖擊的齒輪摩擦副(線接觸)及低載低速的軸-軸套摩擦副(面接觸)作為摩擦磨損試驗(yàn)裝置，結(jié)合電流傳感(摩擦力)和原位檢測(cè)技術(shù)，獲得摩擦磨損系統(tǒng)摩擦力/摩擦系數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)譜，建立熱帶海洋氣氛摩擦磨損實(shí)海在線監(jiān)測(cè)新方法(地點(diǎn)選擇廣西北海潿洲島).通過(guò)齒輪摩擦副測(cè)試評(píng)價(jià)涂層在高頻沖擊下的界面損傷形式及腐蝕磨損行為，通過(guò)軸-軸套摩擦副測(cè)試評(píng)價(jià)涂層在“鹽霧腐蝕-摩擦”、“紫外老化-摩擦”與“腐蝕-老化-摩擦”等耦合作用下的“力-熱-化學(xué)”多場(chǎng)動(dòng)態(tài)損傷失效行為.

Fig.5 Coupling effect of complex motion,load and oceanic medium atmosphere圖5復(fù)雜運(yùn)動(dòng)、載荷與海洋介質(zhì)氣氛的耦合效應(yīng)

3.4 實(shí)際熱帶海洋裝備考核試驗(yàn)驗(yàn)證(國(guó)防裝備和海洋平臺(tái)等工程應(yīng)用示范)

Fig.6 Design of online monitoring device for friction and wear in tropical ocean atmosphere圖6熱帶海洋氣氛摩擦磨損實(shí)海在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

目前，所研制的自潤(rùn)滑防腐一體化高分子合金涂層相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品已成功通過(guò)相關(guān)海洋高技術(shù)裝備用戶評(píng)審、定型及納入采購(gòu)名錄，并先后應(yīng)用于國(guó)家南海海洋工程裝備系統(tǒng)(約100余臺(tái)套裝備，并于海洋鹽霧氣氛極端工況良好運(yùn)行/保障3年)及海上鉆井平臺(tái)、海上風(fēng)電和臨海鐵路等“海洋縱深開(kāi)發(fā)”領(lǐng)域.研究團(tuán)隊(duì)已聯(lián)合了攀鋼集團(tuán)、中遠(yuǎn)海運(yùn)、中海油和珠海云洲智能科技有限公司等10余家裝備制造企業(yè)共同攻關(guān)/提升其海洋裝備產(chǎn)品的海洋環(huán)境適應(yīng)性及運(yùn)行可靠性(圖7)，定型產(chǎn)品有10余種，已在珠海東澳島、海南陵水和廣西潿洲島建設(shè)的由南海臨海至南海深遠(yuǎn)海的“多海域熱帶海洋環(huán)境鹽霧腐蝕暴露試驗(yàn)基站”開(kāi)展固體潤(rùn)滑材料和自潤(rùn)滑耐磨防腐防護(hù)等新型功能材料的熱帶海洋環(huán)境適應(yīng)性考核及南海海洋工程應(yīng)用示范驗(yàn)證.

4 結(jié)論與展望

隨著我國(guó)“南海海洋縱深開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略規(guī)劃及相關(guān)海洋利益的拓展，國(guó)家海洋戰(zhàn)略使命也由內(nèi)陸及近海擴(kuò)展到遠(yuǎn)海及大洋.高鹽、高濕的熱帶海洋區(qū)域，伴隨海浪飛濺、鹽霧氣氛腐蝕、強(qiáng)風(fēng)干濕對(duì)流及太陽(yáng)光老化等復(fù)雜工程環(huán)境作用，我國(guó)海洋工程高技術(shù)裝備滑軌/導(dǎo)軌[97-98]、軸/軸承[99-102]和齒輪/鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的減摩耐磨及防腐防護(hù)需求不斷提升[103-106].現(xiàn)有潤(rùn)滑技術(shù)及靜態(tài)防腐技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足裝備運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)/部件在熱帶海洋高精度、高可靠和長(zhǎng)壽命運(yùn)行的要求.目前，如何解決熱帶海洋氣氛中特有的磨損與腐蝕耦合動(dòng)態(tài)損傷是現(xiàn)有海洋工程設(shè)備與運(yùn)動(dòng)部件所面臨的重大科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)難題.

4.1 硬軟復(fù)合自潤(rùn)滑防腐材料-構(gòu)筑原理創(chuàng)新

針對(duì)海洋動(dòng)態(tài)摩擦磨損腐蝕問(wèn)題和防護(hù)需求，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出“硬-過(guò)渡/鍵合-軟”的涂層設(shè)計(jì)思路，擬協(xié)同硬質(zhì)碳基薄膜高承載耐磨、硅碳氧納米薄膜封孔防腐和軟質(zhì)高分子合金吸能抗沖擊的功能優(yōu)勢(shì)，發(fā)展自潤(rùn)滑與防腐協(xié)同增強(qiáng)的復(fù)合涂層新技術(shù)(圖8).其中，硬質(zhì)碳基薄膜的作用是提高金屬基底的表面硬度和承載能力，介于無(wú)機(jī)和有機(jī)特性的硅碳氧納米薄膜的作用是通過(guò)與碳基薄膜針孔邊緣的懸鍵和高分子合金層的化學(xué)鍵合，實(shí)現(xiàn)2個(gè)界面的高結(jié)合力，同時(shí)阻斷氯離子向碳基薄膜的穿透，軟質(zhì)高分子合金的作用是吸收部件啟動(dòng)時(shí)的沖擊能量，降低摩擦疲勞損傷，同時(shí)，抑制氯離子吸附和滲透.在腐蝕摩擦過(guò)程中，軟質(zhì)高分子合金的疏水特性抑制氯離子吸附和滲透，彈性結(jié)構(gòu)吸收啟動(dòng)沖擊能量，降低摩擦疲勞損傷，從而抑制腐蝕并降低磨損.在服役過(guò)程中，即便高分子合金層被磨損消耗，硅碳氧封孔防腐層表面因摩擦產(chǎn)生的官能團(tuán)(如-OH)和氯離子反應(yīng)并阻斷后續(xù)氯離子吸附穿透，由于硅碳氧嵌入碳基薄膜針孔并化學(xué)鍵合，與硬質(zhì)碳基薄膜成為一體繼續(xù)起到耐磨防腐作用.對(duì)于運(yùn)動(dòng)非精密部件(齒輪、導(dǎo)軌、彈簧及緊固件等)采用軟質(zhì)自潤(rùn)滑防腐涂層，對(duì)于運(yùn)動(dòng)精密部件(滑軌/導(dǎo)軌、軸/軸承及齒輪/鏈輪等)選用“硬質(zhì)薄膜+軟質(zhì)涂層”的復(fù)合匹配材料技術(shù)工藝，旨在提升海洋裝備部件，尤其是熱帶海洋裝備運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)部件的長(zhǎng)壽命及高可靠性.

Fig.7 Application demonstration of dynamic wear-resistant and anti-corrosion coating for marine high-tech equipment:chains and cantilever rails圖7海洋高技術(shù)裝備動(dòng)態(tài)耐磨防腐涂層應(yīng)用示范：鏈條和懸臂梁滑軌

Fig.8 Fabrication of “DLC-SiC x O y H z nanofilm-polymer alloy”composite coating圖8碳基薄膜-硅碳氧納米薄膜-高分子合金涂層構(gòu)筑示意圖

4.2 熱帶海洋氣氛多場(chǎng)耦合摩擦磨損實(shí)海在線監(jiān)測(cè)新方法建立

鑒于目前相關(guān)“單場(chǎng)模擬”研究方法與實(shí)際海洋多場(chǎng)環(huán)境服役脫節(jié)的局限性，亟需建立熱帶海洋氣氛多場(chǎng)耦合摩擦磨損實(shí)況試驗(yàn)新方法，探究并認(rèn)知自潤(rùn)滑防腐功能一體化涂層在熱帶海洋氣氛下的磨損-腐蝕耦合損傷行為規(guī)律，揭示熱帶海洋氣氛力場(chǎng)-化學(xué)場(chǎng)耦合下自潤(rùn)滑防腐涂層的腐蝕-摩擦磨損機(jī)制.并在相關(guān)熱帶海洋高技術(shù)裝備及關(guān)鍵傳動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用，進(jìn)而開(kāi)展涂層樣機(jī)在我國(guó)海洋區(qū)域環(huán)境的全海域示范考核，尤其是南海熱帶海洋環(huán)境適應(yīng)性考核，跟蹤其考核過(guò)程的全程數(shù)據(jù)，為該新材料技術(shù)改進(jìn)與性能提升及施工工藝定型提供指導(dǎo).

4.3 海工裝備全海域自潤(rùn)滑耐磨防腐防護(hù)材料技術(shù)體系建立

針對(duì)全海域復(fù)雜環(huán)境，開(kāi)展海(H)、陸(L)、空(K)全口徑海工裝備自潤(rùn)滑耐磨防腐防護(hù)材料的全鏈條研發(fā)與工程化具有重大科學(xué)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益.構(gòu)建海工裝備全海域(近海、深遠(yuǎn)海)“立體摩擦-腐蝕防護(hù)網(wǎng)格”與維護(hù)保障材料體系數(shù)據(jù)庫(kù)(圖9)，開(kāi)展H、L、K全海域典型海工裝備自潤(rùn)滑耐磨防腐防護(hù)材料的工程示范及海試考核.建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)及技術(shù)工藝規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)，全面保障海工裝備核心系統(tǒng)的海洋環(huán)境適應(yīng)性，為提升我國(guó)“南?？v深開(kāi)發(fā)”海洋工程裝備的運(yùn)行可靠性與防護(hù)/維保技術(shù)革新奠定理論基礎(chǔ)及技術(shù)支持.

Fig.9 Database schematic diagram of dynamic corrosion protection and maintenancesupport material system for marine equipment served in the whole sea area.圖9海工裝備全海域動(dòng)態(tài)腐蝕防護(hù)與維護(hù)保障材料體系數(shù)據(jù)庫(kù)示意圖