7 種材料/涂層體系室溫往復(fù)摩擦磨損性能研究

慕仙蓮，王明振，彭苗，劉元海，張登，王小龍

（中國(guó)特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，荊門 448035）

引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的核心飛行動(dòng)力，由于技術(shù)難度極高，被譽(yù)為裝備制造業(yè)的核心技術(shù)，它直接影響著我國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)性能。對(duì)其在設(shè)計(jì)、材料加工、零部件制造、部件裝備、總裝、試車、交付等各個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)都必須嚴(yán)格把關(guān)，且航空發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、高溫的苛刻使用條件以及長(zhǎng)壽命、高可靠性的工作要求對(duì)材料、制造技術(shù)提出了更高的要求[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)是空氣流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的首要通道，葉片直接受到高壓高速空氣的沖擊和腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，其腐蝕故障尤為突出，已成為發(fā)動(dòng)機(jī)的多發(fā)性和危險(xiǎn)性故障，大大影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命、可靠性及維修費(fèi)用[3-5]。

一代材料、一代裝備[6,7]，不銹鋼、鋁合金、鈦合金等合金作為發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部位的骨干材料，在高壓高速空氣的沖擊和腐蝕性介質(zhì)的侵蝕后，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的磨損、開(kāi)裂現(xiàn)象，主要原因是，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、仿制成品、產(chǎn)品改良、技術(shù)創(chuàng)新的方式開(kāi)展的研制，所以發(fā)動(dòng)機(jī)選用的骨干材料、表面處理工藝等大多延用了國(guó)外的技術(shù)，例如：高壓壓氣機(jī)的榫頭采用了自潤(rùn)滑涂層（CuNiIn+MoS2涂層體系）、機(jī)匣采用了安波涂層（鋁氮化硼+銅鋁石墨烯），這些體系在國(guó)內(nèi)的使用環(huán)境下，表現(xiàn)出了水土不服的癥狀，且隨著我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用頻次增加、使用環(huán)境更為惡劣，骨干材料出現(xiàn)了提前損傷、防護(hù)體系失效問(wèn)題，急需從材料自身的耐磨損特性出發(fā)，研制出適用于國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況的材料或涂層體系[8]。

本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70鋁合金、TA9 鈦合金等為載體，通過(guò)開(kāi)展室溫往復(fù)摩擦磨損測(cè)試，結(jié)合摩擦系數(shù)曲線、磨痕輪廓曲線以及光學(xué)顯微形貌，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)役的自潤(rùn)滑涂層（CuNiIn+MoS2涂層體系）、安波涂層（鋁氮化硼+銅鋁石墨烯）和新研的熱滲鋅復(fù)合涂層、微弧氧化復(fù)合涂層進(jìn)行對(duì)比研究，從而探討新研涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)區(qū)域的使用性，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)選材提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70 鋁合金、TA9 鈦合金以及熱滲鋅復(fù)合涂層、微弧氧化復(fù)合涂層、自潤(rùn)滑涂層（CuNiIn+MoS2涂層體系）和安波涂層（鋁氮化硼+銅鋁石墨烯），其中1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70 鋁合金、TA9 鈦合金的成分見(jiàn)表1、表2、表3 所示，熱滲鋅涂層、微弧氧化涂層由中國(guó)特種飛行研究所提供，自潤(rùn)滑涂層、安波涂層試樣由410 廠提供。

表1 1Cr17Ni2 不銹鋼成分（wt%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表2 2A70 鋁合金（LD7）成分（wt%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表3 TA9 鈦合金成分（wt%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

試驗(yàn)件：采用平板試樣材料，尺寸大小為30 mm×30 mm×2 mm。熱滲鋅涂層、微弧氧化涂層、自潤(rùn)滑涂層、安波涂層厚度為（40±5）μm。

1.2 試驗(yàn)方法

室溫往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)采用的是RTEC 摩擦磨損往復(fù)試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)采用直徑為9.5 mm 的氮化硅球?yàn)閷?duì)磨材料。往復(fù)摩擦磨損（刮削）試驗(yàn)參數(shù)為：時(shí)間30 min，往復(fù)摩擦速度24 mm/s，載荷10 N。為了考察樣品的摩擦磨損行為重復(fù)性，每個(gè)樣品摩擦磨損試驗(yàn)兩次以上。

試驗(yàn)中，力傳感器及其連接的電腦實(shí)時(shí)記錄材料/涂層的摩擦系數(shù)，形貌儀掃描獲取磨痕形貌輪廓曲線，而后由磨痕形貌特征計(jì)算材料/涂層的磨損體積以及磨損率，計(jì)算磨損率的公式如下式（1）所示，光學(xué)顯微鏡分析磨痕微觀結(jié)構(gòu)。

式中：

W—磨損率，單位mm3/Nm；

V—磨損體積，單位mm3；

P—載荷，單位N；

L—磨程，單位m。

2 結(jié)果與討論

2.1 1Cr17Ni2 不銹鋼

2.1.1 摩擦系數(shù)曲線

在摩擦磨損初期，不銹鋼的摩擦系數(shù)低于0.2，且摩擦系數(shù)曲線平滑，這是由不銹鋼光滑表面以及高強(qiáng)高硬的力學(xué)性能決定的。然而，隨著摩擦磨損時(shí)間延至10 min 之后，摩擦系數(shù)陡然升至0.6 以上，之后一直維持在0.6～0.7 之間，直至30 min 后摩擦終止，該過(guò)程不銹鋼均表現(xiàn)出較高的摩擦阻力。摩擦磨損試驗(yàn)兩次，樣品的摩擦系數(shù)趨勢(shì)一致，其平均值分別為0.61 和0.65。

2.1.2 磨痕形貌特征

圖1（a）所示為1Cr17Ni 不銹鋼室溫摩擦磨損30 min 后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為0.9 mm，磨痕深度僅為1.5 μm，磨痕邊緣有磨削的堆積，顯示該不銹鋼材料具有較高的抗磨損能力。由式（1）可計(jì)算得到，該不銹鋼經(jīng)室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為6.22×10-5mm3/Nm、8.68×10-5mm3/Nm，磨損率均在10-5量級(jí)，屬于耐磨損性材料。

圖1 1Cr17Ni2 不銹鋼室溫摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

圖1 （b）所示為1Cr17Ni 不銹鋼室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區(qū)極淺，表面砂紙打磨的平行線痕跡依稀可見(jiàn)。此外，磨痕中央明顯的光亮區(qū)表明該不銹鋼摩擦已進(jìn)入了穩(wěn)定的低磨損率階段；而在磨痕兩側(cè)出現(xiàn)的黑色區(qū)域正好對(duì)應(yīng)于磨痕輪廓曲線的磨削堆積區(qū)，磨痕中央有較淺的犁溝，這些特征均表明該不銹鋼的主要摩擦磨損機(jī)制主要為磨粒磨損?？傊?，不銹鋼的磨損率低，耐磨能力較強(qiáng)。

2.2 2A70 鋁合金

2.2.1 摩擦系數(shù)曲線

在經(jīng)歷短暫的磨合期（20～100）s 后，該鋁合金即進(jìn)入穩(wěn)定摩擦磨損階段。在整個(gè)30 min 的磨損過(guò)程中，摩擦系數(shù)曲線有較大的波動(dòng)，但是摩擦系數(shù)平均值比較穩(wěn)定。摩擦磨損試驗(yàn)兩次，樣品的摩擦系數(shù)趨勢(shì)一致，其平均值分別為0.37 和0.38。相較于1Cr17Ni2 不銹鋼，該鋁合金的室溫摩擦系數(shù)低了40 %。

2.2.2 磨痕形貌特征

圖2（a）所示為2A70 鋁合金室溫摩擦磨損30 min后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為2.0 mm，磨痕深度達(dá)到70 μm。不管是磨痕深度還是磨痕寬度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1Cr17Ni2 不銹鋼，說(shuō)明其耐磨損能力差。由式（1）可計(jì)算得到，該鋁合金經(jīng)室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為1.40×10-3mm3/Nm、1.35×10-3mm3/Nm，磨損率均在10-3量級(jí)，耐磨損能力較1Cr17Ni2 不銹鋼降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，屬于極易磨損的材料。

圖2 2A70 鋁合金室溫摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

圖2（b）所示為2A70 鋁合金室溫摩擦磨損30 min后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區(qū)呈黑色，說(shuō)明磨痕深度較深，與周圍原始表面不在同一平面。此外，磨痕中央?yún)^(qū)域已產(chǎn)生明顯的條狀犁溝，這是該鋁合金磨損的主要機(jī)制為磨粒磨損與粘著磨損，這主要是源于鋁合金硬度較低，對(duì)磨過(guò)程中產(chǎn)生的磨削容易粘著且刮傷合金，形成犁溝。結(jié)合摩擦系數(shù)與磨痕形貌、磨損量等特征，該2A70 鋁合金的摩擦系數(shù)雖然較低，但耐磨性極差。

2.3 TA9 鈦合金

2.3.1 動(dòng)力學(xué)曲線

在經(jīng)歷短暫的磨合期（20～100）s 后，該鈦合金即進(jìn)入穩(wěn)定摩擦磨損階段。在整個(gè)30 min 的磨損過(guò)程中，摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)較小，摩擦磨損過(guò)程平穩(wěn)，并且摩擦系數(shù)平均值維持穩(wěn)定。摩擦磨損試驗(yàn)兩次，樣品的摩擦系數(shù)趨勢(shì)一致，其平均值分別為0.47 和0.55。其摩擦系數(shù)值介于1Cr17Ni2 不銹鋼與2A70 鋁合金之間。

2.3.2 磨痕形貌特征

圖3（a）所示為TA9 鈦合金室溫摩擦磨損30 min 后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為1.5 mm，磨痕深度超過(guò)30 μm。磨痕深度和磨痕寬度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1Cr17Ni2不銹鋼，但小于2A70 鋁合金，說(shuō)明其耐磨損能力較差。由式（1）可計(jì)算得到，該鈦合金經(jīng)室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為4.60×10-4mm3/Nm、5.41×10-4mm3/Nm，磨損率為10-4量級(jí)，耐磨損能力較1Cr17Ni2 不銹鋼降低了1 個(gè)數(shù)量級(jí)，屬于易磨損的材料。

圖3 TA9 鈦合金室溫摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

圖3 （b）所示為TA9 鈦合金室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區(qū)已完全將樣品拋光痕跡掩蓋，磨痕寬度較寬，磨痕區(qū)未見(jiàn)連續(xù)的光亮區(qū)，但是磨痕深度較深，并已產(chǎn)生明顯的條狀犁溝與粘著孔洞，這說(shuō)明該鈦合金磨損的主要機(jī)制為磨粒磨損與粘著磨損，這主要是源于鈦合金硬度較低，對(duì)磨過(guò)程中產(chǎn)生的磨削容易粘著且刮傷合金，形成犁溝。結(jié)合摩擦系數(shù)與磨痕形貌、磨損量等特征，該TA9 鈦合金的摩擦系數(shù)較高且耐磨性較差。

2.4 熱滲鋅涂層

2.4.1 摩擦系數(shù)曲線

涂層在進(jìn)入摩擦磨損時(shí)就處于低摩擦系數(shù)階段，該過(guò)程持續(xù)到20 min，摩擦系數(shù)基本不變，且摩擦系數(shù)曲線幾乎沒(méi)有波動(dòng)，顯示良好的潤(rùn)滑效果，摩擦系數(shù)值為0.12左右。而后摩擦系數(shù)開(kāi)始緩慢持續(xù)增大，至30 min時(shí)，該熱滲鋅涂層的摩擦系數(shù)已升至0.23 左右。摩擦磨損試驗(yàn)兩次，樣品的摩擦系數(shù)趨勢(shì)一致，其平均值分別為0.17和0.19。其摩擦系數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70 鋁合金以及TA9 鈦合金。

2.4.2 磨痕形貌特征

圖4 所示為熱滲鋅涂層經(jīng)室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。由于磨痕極淺，磨痕輪廓曲線以及磨痕形貌光學(xué)顯微照片不能清晰顯示磨痕的實(shí)際邊界。但是在磨痕中央，依然可見(jiàn)由于粘著磨損而形成的磨痕小孔，但是小孔周圍依然平滑，這側(cè)面印證了該熱滲鋅涂層具有極低的摩擦系數(shù)，也即優(yōu)異的自潤(rùn)滑效果。通過(guò)公式（1）計(jì)算，可得該熱滲鋅涂層經(jīng)室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為6.93×10-5mm3/Nm、5.81×10-5mm3/Nm，磨損率為10-5量級(jí)，耐磨損能力與1Cr17Ni2 不銹鋼相近，屬于典型的自潤(rùn)滑耐磨涂層材料。

圖4 熱滲鋅涂層室溫摩擦磨損30 min 后磨痕區(qū)光鏡下顯微形貌

2.5 微弧氧化涂層

2.5.1 摩擦系數(shù)曲線

涂層在摩擦磨損開(kāi)始后，摩擦系數(shù)變迅速升高，初始100 s 內(nèi)即升高至0.4 以上，而后持續(xù)穩(wěn)定在0.6 左右。摩擦磨損在快速進(jìn)入穩(wěn)定階段后，摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)較小。摩擦磨損試驗(yàn)兩次，樣品的摩擦系數(shù)趨勢(shì)一致，其平均值分別為0.63 和0.61，其摩擦系數(shù)值與1Cr17Ni2 不銹鋼相當(dāng)。

2.5.2 磨痕形貌特征

圖5 所示為微弧氧化涂層經(jīng)室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。磨痕表面光滑，但是分布不均勻，且在磨痕中央可見(jiàn)因磨粒刮削留下的摩擦孔洞。磨痕兩側(cè)有磨削堆積痕跡，表明該微弧氧化涂層的主要磨損機(jī)制為磨粒磨損。通過(guò)公式（1）計(jì)算，可得該微弧氧化涂層經(jīng)室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為1.98×10-4mm3/Nm、1.73×10-4mm3/Nm，磨損率為10-4量級(jí)。

圖5 微弧氧化涂層室溫摩擦磨損30 min 后磨痕區(qū)光鏡下顯微形貌

2.6 自潤(rùn)滑涂層

2.6.1 摩擦系數(shù)曲線

涂層在摩擦磨損開(kāi)始后，摩擦系數(shù)變迅速升高，初始100 s 內(nèi)即升高至0.4 以上。而后隨著摩擦磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦系數(shù)緩慢增大，在磨損時(shí)間30 min 時(shí)，摩擦系數(shù)試驗(yàn)機(jī)已增至0.6，但是整個(gè)摩擦磨損階段，該自潤(rùn)滑涂層的摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)較小。摩擦磨損試驗(yàn)兩次，樣品的摩擦系數(shù)趨勢(shì)一致，其平均值分別為0.53 和0.55，其摩擦系數(shù)值略低于1Cr17Ni2 不銹鋼相，而與TA9 鈦合金相近。

2.6.2 磨痕形貌特征

圖6（a）所示為自潤(rùn)滑涂層室溫摩擦磨損30 min 后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為3.5 mm，磨痕深度普遍不超過(guò)20 μm，但存在尖銳刮削點(diǎn)，且刮削深度達(dá)到65 μm。磨痕深度和磨痕寬度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1Cr17Ni2不銹鋼，但小于2A70 鋁合金，說(shuō)明其耐磨損能力較差。由式（1）可計(jì)算得到，該鈦合金經(jīng)室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為5.95×10-3mm3/Nm、6.78×10-3mm3/Nm，磨損率為10-3量級(jí)。在所有檢測(cè)材料中，自潤(rùn)滑涂層的磨損率最高，結(jié)合該自潤(rùn)滑涂層較高的摩擦系數(shù)值，可以得出結(jié)論該自潤(rùn)滑涂層并沒(méi)有達(dá)到減磨降摩的作用，反倒是提高了摩擦系數(shù)與磨損率。

圖6 自潤(rùn)滑涂層室溫摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

圖6（b）所示為自潤(rùn)滑涂層室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區(qū)很寬，未見(jiàn)明顯的磨痕光亮區(qū)，但可見(jiàn)較淺的犁溝與磨?？锥矗Y(jié)合其高的摩擦系數(shù)與磨損率，說(shuō)明該自潤(rùn)滑涂層的主要磨損機(jī)制是磨粒磨損，摩擦磨損階段該自潤(rùn)滑涂層磨削容易脫離，且對(duì)涂層本體產(chǎn)生進(jìn)一步破話，加速磨損。

2.7 安波涂層

2.7.1 摩擦系數(shù)曲線

涂層在摩擦磨損特征與自潤(rùn)滑涂層相近。摩擦開(kāi)始后，摩擦系數(shù)變迅速升高，初始100 s 內(nèi)即升高至0.4以上。而后隨著摩擦磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦系數(shù)緩慢增大，在磨損時(shí)間30 min 時(shí)，摩擦系數(shù)試驗(yàn)機(jī)已增至0.6，但是整個(gè)摩擦磨損階段，該自潤(rùn)滑涂層的摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)較小。摩擦磨損試驗(yàn)兩次，樣品的摩擦系數(shù)趨勢(shì)一致，其平均值分別為0.55 和0.61，其摩擦系數(shù)值略低于1Cr17Ni2 不銹鋼相，而與TA9 鈦合金以及自潤(rùn)滑涂層相近。

2.7.2 磨痕形貌特征

圖7（a）所示為安波涂層室溫摩擦磨損30 min 后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為1.3 mm，磨痕深度為6 μm。磨痕深度和磨痕寬度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2A70 鋁合金以及自潤(rùn)滑涂層。由式（1）可計(jì)算得到，該鈦合金經(jīng)室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為1.65×10-4mm3/Nm、1.52×10-4mm3/Nm，磨損率為10-4量級(jí)，與TA90 鈦合金以及微弧氧化涂層的磨損率相當(dāng)。

圖7 自潤(rùn)滑涂層室溫摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

圖7（b）所示為安波涂層室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區(qū)形成亮色的磨損區(qū)域，可起到減磨降摩的效果；但是，磨痕表面的犁溝以及廣泛分布的磨削孔洞表明，該安波涂層的磨損機(jī)制為磨粒磨損，即使存在廣泛區(qū)域，在磨粒的影響下，其摩擦系數(shù)與磨損率依然較大。

3 結(jié)論

針對(duì)1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70 鋁合金、TA9 鈦合金、熱滲鋅涂層、微弧氧化涂層、自潤(rùn)滑涂層以及安波涂層七種材料/涂層體系，采用室溫往復(fù)摩擦磨損，結(jié)合摩擦系數(shù)曲線、磨痕輪廓曲線以及光學(xué)顯微形貌，得到7種材料/涂層的磨損速率與磨損機(jī)制，綜合而言：

1）熱滲鋅涂層摩擦系數(shù)最低（≤0.2）、磨損量低（10-5mm3/Nm 量級(jí)），表明該涂層在實(shí)驗(yàn)考核條件下具備自潤(rùn)滑效果，可對(duì)基體實(shí)現(xiàn)減磨降摩的作用。

2）1Cr17Ni2 不銹鋼的磨損率與熱滲鋅涂層相近，具有優(yōu)異的耐磨性能，但是該不銹鋼的摩擦系數(shù)高，啟動(dòng)以及運(yùn)行力矩大。

3）其它合金及涂層（如2A70 鋁合金、TA9 鈦合金、微弧氧化涂層、安波涂層以及自潤(rùn)滑涂層）的摩擦系數(shù)高，且耐磨性差，磨損率普遍在10-4甚至10-3mm3/Nm 量級(jí)，耐磨性較1Cr17Ni2 不銹鋼以及熱滲鋅涂層差1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)。