多孔聚醚醚酮保持架材料的FDM制備及其摩擦學(xué)性能研究

張輝,段明德,秦世坤,張壯雅,鄧四二

(河南科技大學(xué) 機電工程學(xué)院,河南 洛陽 471003)

航空發(fā)動機是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的集大成者,精密軸承在航空發(fā)動機中發(fā)揮著重要的作用[1]。 而保持架作為航天軸承的核心零件,其潤滑效果對軸承的服役性能起關(guān)鍵作用,潤滑失效極易造成保持架自身運轉(zhuǎn)失穩(wěn),進而造成軸承其他零件的嚴重磨損,并伴隨著渦動和嘯叫現(xiàn)象[2]。鑒于航天軸承工況復(fù)雜且無法補充潤滑油,使用常規(guī)潤滑技術(shù)已經(jīng)無法滿足需要。

目前,國內(nèi)外多采用一次性稀油技術(shù),即保持架采用多孔自潤滑材料,在兼具承載能力的同時將潤滑油或潤滑脂浸入孔隙結(jié)構(gòu)中,軸承運轉(zhuǎn)時在離心力、溫升等因素的作用下起到摩擦副自潤滑效果,實現(xiàn)減摩抗磨的目的。多孔自潤滑軸承保持架材料的制備主要采用冷壓燒結(jié)工藝和模板-濾取工藝[3]2種方法:冷壓燒結(jié)工藝是將聚合物顆粒通過機械壓實后在一定溫度下進行燒結(jié),使聚合物顆粒表面融化而黏接在一起,顆粒之間的縫隙形成孔道的材料制備工藝;模板-濾取工藝是將聚合物顆粒與填充劑混合后冷壓燒結(jié)成形,通過原位去除造孔劑制備多孔材料的工藝。雖然上述制備工藝操作簡單、成本低廉[4],但制備出孔隙排布有序,孔隙率可控,形貌多樣的多孔材料仍存在困難。以熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling,FDM)工藝為代表的增材制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔材料制備提供了有效方案。FDM工藝利用分層制造技術(shù),層層疊加的原理可高效、綠色地制備出性能優(yōu)良的多孔保持架材料[5-6]。

常見的自潤滑軸承保持架材料有棉布-酚醛、尼龍(PA)、聚酰亞胺(PI)和聚醚醚酮(PEEK)等。PEEK是一種集高強度、高韌性、高耐熱性等優(yōu)異綜合性能于一體的特種工程塑料, 在石油化工、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[7]。

本文以PEEK為基體材料,提出采用熔融沉積-水洗工藝制備多孔自潤滑軸承保持架材料,并研究不同工藝參數(shù)下多孔自潤滑材料的微觀結(jié)構(gòu)對其摩擦學(xué)性能的影響,為材料-結(jié)構(gòu)-性能的一體化設(shè)計制造提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 絲材及試樣制備

1.1.1 絲材制備

采用造孔劑法構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)的材料,即將造孔劑與基體材料PEEK混合,成形后利用水洗法去除造孔劑以形成多孔材料。NaCl粒徑易控,造孔能力強且容易被原位去除,所以被廣泛用作造孔劑。故本研究將PEEK與NaCl混合,經(jīng)粉材混勻、絲材擠出等工序制備PEEK基復(fù)合絲材。

選用200目的PEEK粉,密度為1.3 g/cm3,熔點為334 ℃;NaCl為分析純,密度為2.1 g/cm3,熔點為804 ℃,NaCl過325目篩網(wǎng)。

按照表1的原材料配比稱取相應(yīng)質(zhì)量的NaCl和PEEK粉材,并將粉材置于120 ℃的電熱恒溫干燥箱中烘干12 h,再以50 r/min的速度機械攪拌12 h混勻,并按照上述干燥工藝對混合后的粉材二次干燥處理。經(jīng)牽引、冷卻、絲材測控及收卷制備出直徑為(1.75±0.05)mm的絲材。制備不同配方的絲材時YTG-20型雙螺桿擠出機7個加熱區(qū)的溫度及螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置見表2。

表1 復(fù)合材料的配方(質(zhì)量分數(shù))

表2 擠絲過程主要工藝參數(shù)

為避免NaCl潮解或結(jié)塊,將絲材置于60 ℃恒溫干燥箱中以備打印。絲材主要制備工序如圖1所示。

(a) 絲材擠出 (b) 絲材冷卻

1.1.2 試樣制備

采用FDM快速成型機(ENGINEER Q300型),選擇直徑為0.8 mm的噴嘴,設(shè)置FDM工藝參數(shù)為:噴嘴溫度420 ℃,打印速度40 mm/s,打印層厚0.4 mm,填充率100%。制備完成后將純PEEK以外的試樣置于超聲清洗機中采用蒸餾水超聲清洗48 h,期間每隔3 h換一次水,以刻蝕其中的NaCl成分。清洗后將試樣置于100 ℃烘箱中烘干5 h,得到孔隙率及摩擦磨損測試等試樣。各類型試樣制備過程及成品如圖2所示。

(a) 試樣打印 (b) 不同類型試樣

1.2 結(jié)構(gòu)表征與性能測試

1.2.1 結(jié)構(gòu)表征

為研究多孔試樣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),采用LSM800型激光共聚焦掃描分析儀觀察試樣的微觀形貌;采用JSM-IT800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(EDS)測試試樣內(nèi)部NaCl的去除效果;采用AutoPore IV 9500型壓汞儀測定試樣內(nèi)部的孔隙率及孔徑分布。

1.2.2 性能測試

為研究試樣的宏觀性能,采用HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機測試試樣在干摩擦及貧油潤滑狀態(tài)下的摩擦磨損性能,對磨球直徑為5 mm,材質(zhì)為9Cr18,施加載荷為5 N,摩擦半徑為5 mm,轉(zhuǎn)速設(shè)置為392 r/min,測試時間為30 min。采用ZKXY-400型軸承保持架真空浸油機對試樣進行浸油處理,采用TG16-WS型離心機測量試樣的含油保持率。含油率及含油保持率為

(1)

(2)

將試樣清洗后稱重,并于真空環(huán)境(1.0×10-3Pa)下浸入潤滑油中(70 ℃,48 h),使試樣內(nèi)部孔隙浸滿潤滑油。將浸油后的試樣取出室溫下(25 ℃)瀝干48 h并稱重,得到試樣浸油前、后的質(zhì)量,然后由(1)式求得含油率;采用離心機在室溫(25 ℃)下對含油試樣甩油2 h(同軸甩油,轉(zhuǎn)速8 000 r/min)并稱重,得到試樣浸油前、甩油后的質(zhì)量,由(2)式計算試樣含油保持率。

2 結(jié)果與討論

2.1 絲材表面形貌表征

通過絲材的表面形貌探究其柔韌性及光潔程度,進而分析其擠絲性能。各試樣對應(yīng)絲材的表面形貌如圖3所示。

(a) 1#試樣 (b) 2#試樣

由圖3可知,隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的提高,絲材的表面粗糙度逐漸增大,且線徑的控制會受到影響。這是因為NaCl質(zhì)量分數(shù)越低,其在基體材料中的分散效果越好,顆粒能夠更加彌散、均勻地分布于混合材料基體中,形成絲材的光潔度和柔韌性較好。隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的提高,基體材料中NaCl的連續(xù)性增加,隨之而來的團聚現(xiàn)象也愈發(fā)明顯,形成絲材的表面更粗糙且柔韌性差。

2.2 PEEK基多孔試樣的微觀結(jié)構(gòu)

為研究PEEK基多孔試樣含油及減摩機理,采用共聚焦掃描分析儀觀察試樣的二維形貌(圖4),以表征其表面形態(tài)及孔隙特征。

(a) 2#試樣 (b) 3#試樣

多孔試樣內(nèi)部的微觀孔隙分布及孔徑大小是影響其宏觀性能的關(guān)鍵因素,試樣內(nèi)部的NaCl去除干凈才能避免對軸承及其他零件造成不利影響。由圖4可知:試樣內(nèi)部較均勻地分布著NaCl原位去除后留下的孔隙,隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的提高,試樣孔隙分布及孔徑大小更合理,骨架也更均勻。

初始NaCl質(zhì)量分數(shù)最高的6#試樣的EDS分析結(jié)果如圖5所示:實驗室條件下PEEK基多孔試樣內(nèi)部的NaCl可以完全去除,從而有效避免對滾動體、套圈等零件的不利影響。

圖5 6#試樣刻蝕NaCl后EDS分析結(jié)果

基于FDM工藝制備的試樣通常面臨內(nèi)部組織分層對其性能造成的不利影響,對于NaCl團聚最嚴重的6#試樣,放大100倍后的微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示:基于本研究工藝參數(shù)下制得試樣的層與層之間結(jié)合緊密,這為PEEK基多孔試樣優(yōu)異的力學(xué)性能奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖6 6#試樣分層現(xiàn)象表征

大量試驗研究結(jié)果表明,軸承保持架多孔聚合物含油材料的孔徑大小應(yīng)當(dāng)適中,以利于軸承運轉(zhuǎn)時保持架孔道內(nèi)潤滑油的遷移與回收。一般認為多孔保持架材料的孔徑應(yīng)小于10 μm[8]。

通過壓汞儀測試PEEK基多孔試樣的孔徑分布及孔隙率(圖7)。隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的提高,試樣孔徑呈增大的趨勢,這是由于NaCl質(zhì)量分數(shù)的提高致使其團聚效應(yīng)更明顯,原位去除后呈現(xiàn)的孔徑也更大。2#試樣孔徑最小,大部分集中在0.07 μm左右,6#試樣孔徑最大(達到7.16 μm),所有試樣的孔徑大小均符合多孔軸承保持架材料孔徑的要求。

圖7 PEEK基多孔試樣的孔徑和孔隙率

由圖7可知,隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的提高,試樣的孔隙率呈先升高后降低的趨勢。造成這種現(xiàn)象的原因可能是5#和6#試樣制備過程中NaCl質(zhì)量分數(shù)較大導(dǎo)致其大量團聚,影響自身分散的均勻性,繼而影響后續(xù)的造孔效果。

2.3 PEEK基多孔試樣的含油率、含油保持率

含油率、含油保持率是評價含油材料性能的重要技術(shù)指標[9],PEEK基多孔試樣含油率、含油保持率測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 PEEK基多孔試樣含油率和含油保持率

由圖8可知,孔隙率較高的3#,4#試樣的含油率也較高,說明多孔試樣的含油率在一定程度上受其自身孔隙率的影響?；贔DM工藝制備的PEEK基多孔試樣含油保持率總體較高,經(jīng)2 h甩油處理后,除3#試樣外,其余試樣含油保持率均達到93%以上。3#試樣含油率較高,但孔隙率有限(孔隙率總體<25%),這影響了內(nèi)部潤滑油的遷移與回收能力,含油保持率是綜合考慮甩油試驗前后試樣含油率的指標,在浸入較多潤滑油(原始含油率較高)情況下難以表現(xiàn)出更高的含油保持率。但相較于模板-濾取工藝制備的PEEK基多孔試樣[10],本文的多孔試樣表現(xiàn)出更優(yōu)異的儲油性能。

2.4 PEEK基試樣的摩擦學(xué)性能

在充分潤滑狀態(tài)下,軸承服役性能更易得到保證。然而航天軸承處于超高真空、高低溫交變、多次啟停等特殊工況時,摩擦副間貧油程度加劇,甚至面臨干摩擦狀態(tài),摩擦磨損形勢更嚴峻[11]。鑒于此,本文研究干摩擦及貧油潤滑2種狀態(tài)下PEEK基試樣的摩擦學(xué)性能。

干摩擦條件下,各試樣對應(yīng)的摩擦因數(shù)如圖9所示:多孔試樣的摩擦因數(shù)與其自身孔隙率密切相關(guān),致密的1#PEEK試樣表面相對光滑,摩擦因數(shù)最小;隨著試樣孔隙率的提高,大量孔隙的出現(xiàn)破壞了試樣的光滑表面和致密結(jié)構(gòu),其表面粗糙度隨之增大,摩擦因數(shù)增大;另一方面孔隙率的提高在一定程度上降低了試樣的機械強度,使試樣更容易磨損,營造出更加惡劣的摩擦環(huán)境,摩擦因數(shù)也隨之增大。

圖9 干摩擦條件下PEEK基試樣的摩擦因數(shù)

為探究多孔試樣貧油條件下的潤滑性能,試樣浸油完成后取出在室溫下(25 ℃)瀝干48 h。試驗過程中不再添加額外潤滑劑,貧油潤滑狀態(tài)下,試樣的摩擦因數(shù)如圖10所示。

圖10 貧油潤滑條件下PEEK基試樣的摩擦因數(shù)

多孔試樣內(nèi)部孔道可以作為潤滑油的“存儲器”[9]。在貧油潤滑條件下,摩擦副的潤滑受到多孔表面、孔道供油和回油的協(xié)同作用。由圖10可知,致密的1#PEEK試樣摩擦因數(shù)總體高于多孔試樣,而隨著孔隙率的提高,摩擦因數(shù)基本呈現(xiàn)減小趨勢,多孔試樣表現(xiàn)出良好的自潤滑性能。由此可見試樣的孔隙率越高,其供油、回油能力也越強,潤滑效果越好。值得注意的是,相較于致密的1#PEEK試樣,多孔試樣貧油潤滑狀態(tài)下的摩擦因數(shù)在整個試驗過程中并沒有表現(xiàn)出明顯的升高趨勢,這說明基于FDM工藝制備的PEEK基多孔試樣具備為服役對象提供穩(wěn)定的潤滑環(huán)境從而保證其長效潤滑的潛力。

各試樣在干摩擦、貧油潤滑條件下的平均摩擦因數(shù)如圖11所示,在潤滑介質(zhì)的作用下,多孔試樣平均摩擦因數(shù)下降更加明顯。4#試樣的摩擦因數(shù)下降了83.33%,該結(jié)果表明貧油潤滑狀態(tài)下, PEEK基多孔試樣能夠表現(xiàn)出更好的潤滑效果。

圖11 不同潤滑條件下各試樣平均摩擦因數(shù)

2.5 PEEK基試樣的力學(xué)性能

軸承保持架材料的摩擦學(xué)特性及力學(xué)性能共同決定了其運行精度及壽命[12],試樣的拉伸強度如圖12所示:各試樣拉伸強度集中在22～42 MPa之間,2#試樣的拉伸強度略低于1#試樣,3#—6#試樣的拉伸強度為22～24 MPa,說明多孔試樣的拉伸強度與其自身孔隙率密切相關(guān),且受造孔效果的協(xié)同影響。如6#試樣孔隙率較低,按照孔隙率對試樣力學(xué)性能的影響規(guī)律,該試樣應(yīng)表現(xiàn)出較高的拉伸強度,但劣化的造孔效果顯然影響了拉伸過程中試樣內(nèi)部的應(yīng)力傳遞,甚至可能造成局部的應(yīng)力集中,進而影響了該試樣的拉伸強度。

圖12 試樣的拉伸強度

3 結(jié)論

本文采用FDM與水洗工藝相結(jié)合的方式制備PEEK基多孔自潤滑材料,圍繞試樣的微觀結(jié)構(gòu)及摩擦學(xué)性能展開研究,得到以下結(jié)論:

1)以NaCl為造孔劑,PEEK為基體材料,基于FDM工藝制備了不同孔隙率的多孔試樣。復(fù)合絲材制備過程中NaCl質(zhì)量分數(shù)高的絲材可通過調(diào)整加熱溫度并降低螺桿轉(zhuǎn)速擠出;通過相同的打印參數(shù)制備所有試樣,多孔試樣孔徑分布在10 μm以下,符合保持架材料孔徑的要求。

2)在符合孔徑要求的前提下,多孔試樣的含油率在一定程度上受其自身孔隙率的影響,孔隙率較高的試樣含油率較高,且能夠表現(xiàn)出較高的含油保持率。

3)干摩擦條件下,多孔試樣的孔隙率越高,摩擦因數(shù)越大;貧油潤滑條件下,相比于致密的PEEK試樣,多孔試樣的摩擦因數(shù)減小明顯,表現(xiàn)出良好的自潤滑效果。

4)各試樣拉伸強度集中在22～42 MPa,致密的PEEK試樣的拉伸強度最高,而多孔2#～6#試樣的拉伸強度與其自身孔隙率密切相關(guān)且受造孔效果的協(xié)同影響。