趙子彤 鞠洪博喻利花 許俊華

江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(江蘇鎮(zhèn)江 212003)

從古代到現(xiàn)代，表面摩擦和磨損一直都是十分重要的問(wèn)題。在古代，人類(lèi)用動(dòng)物的油脂和從植物種子中提取的潤(rùn)滑物質(zhì)來(lái)解決一些摩擦磨損問(wèn)題，直到第一次工業(yè)革命后，隨著石油的開(kāi)采，現(xiàn)代意義上的潤(rùn)滑油才真正出現(xiàn)[1]。隨著潤(rùn)滑劑的發(fā)展，一些聚合物潤(rùn)滑劑逐漸出現(xiàn)。但是，常規(guī)流體潤(rùn)滑材料對(duì)溫度非?！懊舾小?，如油脂類(lèi)潤(rùn)滑材料的最高使用溫度通常不超過(guò)200℃，聚合物類(lèi)潤(rùn)滑材料的極限使用溫度為400℃。過(guò)高的溫度會(huì)使?jié)櫥牧涎趸?，從而造成材料表面的機(jī)械損傷，而固體潤(rùn)滑能夠?qū)崿F(xiàn)寬溫域下的持續(xù)潤(rùn)滑并且耐磨性十分優(yōu)越。因此固體潤(rùn)滑可能是今后潤(rùn)滑劑發(fā)展的主要方向。

如今，自潤(rùn)滑薄膜這類(lèi)固體潤(rùn)滑物質(zhì)被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中，如軸承、齒輪、軌道等[2]。但在耗能機(jī)械的接觸工程實(shí)際應(yīng)用中會(huì)面臨以下問(wèn)題：(1)硬度要求。對(duì)于刀具而言，硬度是確保刀具切削和加工質(zhì)量以及使用壽命的硬指標(biāo)，但機(jī)器接觸點(diǎn)通常不需要非常硬的配合觸點(diǎn)，因?yàn)榻佑|載荷通常是分布的，接觸疲勞可以更好地避免接觸面合規(guī)性。(2)環(huán)境問(wèn)題。大多數(shù)機(jī)器工作于不同的環(huán)境溫度中，增加了有規(guī)律和不規(guī)則的溫度波動(dòng)，涉及到自潤(rùn)滑薄膜的溫度服役問(wèn)題。因此，寬溫域自潤(rùn)滑薄膜在這些前提下，是否具備持續(xù)的自潤(rùn)滑能力，在實(shí)際應(yīng)用中具有非常大的研究?jī)r(jià)值。

對(duì)于寬溫域下自潤(rùn)滑薄膜的持續(xù)潤(rùn)滑問(wèn)題，主要通過(guò)兩種方法來(lái)解決：一是單層薄膜，二是多層薄膜。單層薄膜以復(fù)合膜為主，一般是由陶瓷或金屬基體和潤(rùn)滑組元按照一定的成分配比采用相應(yīng)的加工工藝制備而成[3]。通常，陶瓷或金屬基體能夠提供較好的抗磨能力、承載能力以及優(yōu)異的高溫化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性等，而潤(rùn)滑組元的加入則能夠在寬溫域下提供連續(xù)潤(rùn)滑的優(yōu)異性能[4]，從而在實(shí)際應(yīng)用中提升固體潤(rùn)滑劑的持續(xù)潤(rùn)滑能力。但在循環(huán)溫度下，其自潤(rùn)滑效果的持續(xù)性會(huì)受到極大的影響，所以，研究一種能在循環(huán)溫度下服役的涂層十分重要。多層膜是由不同金屬的薄層或具有不同組成成分的合金薄層交替疊加而構(gòu)成的復(fù)合涂層。從本質(zhì)上看，多層涂層具有與單一涂層完全不同的新特性。Muratore C利用磁控濺射技術(shù)制備了含TiN阻擋層的YSZ-Mo-Ag多層涂層，其相對(duì)YSZ-Mo-Ag的單層涂層性能更優(yōu)異，例如，解決了金屬Ag在單次寬溫域潤(rùn)滑過(guò)程中的過(guò)度消耗，實(shí)現(xiàn)了溫度可逆條件下的連續(xù)潤(rùn)滑。此外，相比單一涂層，其磨損壽命也有了質(zhì)的提高。

1 單層薄膜

單層薄膜是以金屬基和陶瓷基為主的自潤(rùn)滑復(fù)合材料。一般是將作為潤(rùn)滑組元的碳基材料(如石墨、DLC等)，過(guò)渡金屬二硫化物(如MoS2，WS2等)或軟金屬(如Ag，Sn，Au等)與金屬基、陶瓷基通過(guò)特定的方法(如磁控濺射、脈沖激光沉積技術(shù)等)制備而成。

1.1 金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料

金屬基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，通過(guò)添加固體潤(rùn)滑劑可以顯著降低復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，提高其減摩耐磨性能；其摩擦學(xué)特性主要取決于金屬基體材料的性能、摩擦過(guò)程中固體潤(rùn)滑劑的結(jié)構(gòu)與性能及其在磨損表面轉(zhuǎn)移所形成的潤(rùn)滑膜。低摩擦系數(shù)和高磨損壽命依賴于轉(zhuǎn)移膜滑動(dòng)界面附近提供的低剪切力，所以磨損表面轉(zhuǎn)移形成的潤(rùn)滑膜有效降低了摩擦系數(shù)和磨損率，從而有效提高了潤(rùn)滑能力[5]。但固體潤(rùn)滑劑只在一定的溫度下適用，超出適用溫度范圍，潤(rùn)滑劑減摩潤(rùn)滑的效果會(huì)大大降低。隨著相關(guān)工程技術(shù)的發(fā)展、革新，對(duì)固體潤(rùn)滑劑的要求越來(lái)越高，對(duì)能夠在寬溫域下實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑的復(fù)合材料的需求也更加迫切——不能僅滿足于現(xiàn)有潤(rùn)滑劑在300～400℃溫度下實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑。比如，MoS2和石墨在高于350℃的溫度下潤(rùn)滑作用會(huì)減弱甚至失效[6]。因此，要在寬溫域下實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑的方法之一便是合理運(yùn)用多種潤(rùn)滑劑的協(xié)同潤(rùn)滑效應(yīng)[7]。

目前，研究較多、應(yīng)用較廣的固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料金屬基體有銅基、鎳基、銀基和鐵基。在高溫機(jī)械、航空航天等相關(guān)滑動(dòng)部件中，鎳基和鐵基材料應(yīng)用更為廣泛[8]。

鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料被認(rèn)為是金屬基復(fù)合材料中具有潛力和優(yōu)異性能的自潤(rùn)滑復(fù)合材料之一。一般通過(guò)向鎳基高溫合金添加不同的固體潤(rùn)滑劑和強(qiáng)化元素(如Al，Cr等)來(lái)獲得具有高硬度且耐磨的自潤(rùn)滑復(fù)合材料[9]。例如，在Ni-Cr-W-Al-Ti-MoS2自潤(rùn)滑復(fù)合材料的燒結(jié)過(guò)程中[10]，MoS2與基體發(fā)生反應(yīng)時(shí)在一定程度上失去了潤(rùn)滑作用，但生成的新相Cr3S4和Cr5S6起到良好的潤(rùn)滑作用。此外，由于鉬固溶硬化，MoS2含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為12%的鎳基復(fù)合材料的硬度保持較高的值，其抗彎強(qiáng)度高于原始合金。原始合金的摩擦系數(shù)在0.55～0.85之間，而含12%MoS2的復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在0.22～0.50之間；當(dāng)氧化鋁陶瓷作為摩擦副時(shí)，復(fù)合材料摩擦系數(shù)較低，在600℃時(shí)小于0.22[11]。自潤(rùn)滑復(fù)合材料NiCr-MoO3-Ag在700～900℃間，因摩擦反應(yīng)生成Ag2MoO4，NiCr2O4，NiO及MoO3，這些成分的協(xié)同潤(rùn)滑改善了其摩擦性能[12]。NiCr-BaMO4自潤(rùn)滑復(fù)合材料在600℃時(shí)表現(xiàn)出良好的摩擦性能，摩擦系數(shù)為0.26～0.30，磨損率為10-5～10-6mm3/(N·m)，這歸因于磨損表面由BaMO4，NiCr2O4，NiO和Cr2O3組成的協(xié)同潤(rùn)滑膜。此外，Ni3Al自潤(rùn)滑復(fù)合材料具有良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化性。張世堂等[13]通過(guò)反應(yīng)燒結(jié)法在鎳基超合金上制備了Ni3Al-hBN-Ag復(fù)合薄膜，將其高溫綜合性能與減摩抗磨性能結(jié)合起來(lái)，以期獲得良好的寬溫域自潤(rùn)滑效果。磨損表面形成了由Ag和hBN組成的協(xié)同潤(rùn)滑膜，使復(fù)合材料具有優(yōu)異的摩擦性能。在室溫至800℃的溫度區(qū)間內(nèi)，所制備的薄膜摩擦系數(shù)在0.32～0.48之間，磨損率為10-5mm3/(N·m)。

鐵基材料由于來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，且具有較高的強(qiáng)度和較好的耐磨性，被廣泛應(yīng)用于軸承、齒輪等工程零件。此外，鐵可以依靠合金化和加入添加劑改變其力學(xué)、化學(xué)和摩擦學(xué)性能。常用的鐵基自潤(rùn)滑復(fù)合材料有Fe/C，F(xiàn)e-Cu/C，F(xiàn)e-Mo/C[6,13-14]。郭俊德[15]在石墨自潤(rùn)滑材料中添加Ni，Cu元素得到的Fe-Mo-Ni-Cu-C高溫自潤(rùn)滑復(fù)合材料，在500℃時(shí)，干摩擦條件下的平均摩擦系數(shù)低至0.28，磨損率量級(jí)為10-5mm3/(N·m)，屬于輕微磨損，表現(xiàn)出了較好的高溫下減摩耐磨性能。這主要?dú)w因于在高溫摩擦過(guò)程中 材 料 磨 損 表 面 形 成 了 石 墨，CuFe5O8，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e2.6Ni0.4O4D等新相，它們產(chǎn)生協(xié)同潤(rùn)滑作用。韓杰勝等[16]研究了Fe-Mo-CaF2和Fe-Mo-(MoS2/PbO)材料的高溫潤(rùn)滑機(jī)理，發(fā)現(xiàn)Fe-Mo-CaF2高溫自潤(rùn)滑材料表面的復(fù)合膜提供了高溫下的低摩擦特性和良好的抗磨性，其組成為CaF2，MoO2，F(xiàn)e2O3以及摩擦化學(xué)產(chǎn)物CaMoO4，其中CaMoO4起主要作用。此外，F(xiàn)e-Mo-(MoS2/PbO)材料在600℃下也表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，其原因是摩擦表面生成的Fe2O3，F(xiàn)e3O4，PbMoO4和單質(zhì)Pb的協(xié)同潤(rùn)滑作用。

1.2 陶瓷基自潤(rùn)滑復(fù)合材料

陶瓷材料因其優(yōu)越的力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用，但在干摩擦條件下的摩擦系數(shù)一般都比較高，很難實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑[17]。提高陶瓷基薄膜性能的有效方法之一是在陶瓷中加入固體潤(rùn)滑劑[18-19]。合適的固體潤(rùn)滑劑能在陶瓷表面形成低剪切力的潤(rùn)滑膜，減弱陶瓷表面與對(duì)偶材料之間的摩擦，從而提升陶瓷基自潤(rùn)滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，而且不同潤(rùn)滑劑的加入能夠?qū)崿F(xiàn)在寬溫域下的連續(xù)潤(rùn)滑[20]。

目前，對(duì)常見(jiàn)的陶瓷基復(fù)合材料的研究大多集中在Al2O3基和ZrO2(Y2O3)基自潤(rùn)滑復(fù)合材料[1]。表1為不同潤(rùn)滑劑對(duì)Al2O3基和ZrO2(Y2O3)基自潤(rùn)滑復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。

表1 常用陶瓷基自潤(rùn)滑材料的摩擦學(xué)性能

從表1可看出，不同潤(rùn)滑劑的加入改變了陶瓷基在不同溫度下的摩擦性能。Mo的加入改變了材料在高溫下的潤(rùn)滑性能；不同潤(rùn)滑劑和復(fù)合潤(rùn)滑劑的加入改善了陶瓷基在寬溫域下的自潤(rùn)滑性能，實(shí)現(xiàn)寬溫域下的自潤(rùn)滑效果。例如，ZrO2(Y2O3)-Mo-CuO自潤(rùn)滑復(fù)合材料，在700～1 000℃具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，摩擦系數(shù)在0.18～0.30之間[21]。高溫摩擦主要發(fā)生在氧化物釉層和潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜之間：高溫時(shí)CuO和MoO3在磨損表面上形成的氧化物釉層對(duì)改善氧化鋯基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能起重要作用，摩擦副Al2O3陶瓷球幾乎沒(méi)有磨損，這歸因于其磨損表面覆蓋的轉(zhuǎn)移膜。Al2O3-50BaSO4-20Ag在室溫到800℃之間的摩擦系數(shù)均比較低：在200℃時(shí)，磨損表面出現(xiàn)了薄膜狀的Ag，有效地降低了中溫時(shí)的摩擦系數(shù)；在800℃時(shí)，摩擦表面出現(xiàn)的BaSO4有效地降低了摩擦系數(shù)[22]。歐陽(yáng)家虎等[23-24]發(fā)現(xiàn)TZ-3Y和TZ-3Y20A陶瓷在高溫下與Al2O3球?qū)δr(shí)具有很高的摩擦系數(shù)和磨損率，通過(guò)加入BaF2，CaF2，Ag，Ag2O，Cu2O，BaCrO4，BaSO4，SrSO4，CaSiO3等潤(rùn)滑劑形成的陶瓷基復(fù)合材料，在室溫至800℃范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)在0.3～0.4之間，磨損率在10-5～10-6mm3/(N·m)之間。TZ-3Y20A-50SrSO4復(fù)合材料在室溫至800℃間的摩擦系數(shù)均低于0.2，磨損率為10-6mm3/(N·m)，在極限環(huán)境下可作為耐高溫持續(xù)自潤(rùn)滑薄膜材料。

1.3 納米硬質(zhì)復(fù)合膜

納米硬質(zhì)復(fù)合膜是一種在薄膜基底上有納米尺寸單晶的金屬或粒子的納米復(fù)合材料。因硬度高、韌性好和摩擦、磨損性能好而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工中。納米硬質(zhì)膜主要分為兩類(lèi)：(1)nc-MeN/氮化物，nc-TiN/a-Si3N4，TiN/BN；(2)nc-MeN/金屬，ZrN/Cu，ZrN/Y。Ti，Zr，V，Nb，W等元素尺寸為納米級(jí)別，a為非晶相。

鞠洪博等[25-27]對(duì)這類(lèi)硬質(zhì)涂層有著較多的報(bào)道。他們利用射頻磁控濺射設(shè)備，制備了Mo-S-N薄膜，發(fā)現(xiàn)由于Mo-N鍵的作用，所有Mo-S-N薄膜的硬度和抗氧化溫度都比大多數(shù)薄膜高，在長(zhǎng)達(dá)30 min的磨損實(shí)驗(yàn)中，Mo-S-N薄膜的平均摩擦系數(shù)約為0.2，磨損率約為10-7mm3/(N·m)。還采用反應(yīng)磁控濺射法制備了不同Ag含量的TiN-Ag復(fù)合薄膜。發(fā)現(xiàn)隨著Ag含量的增加，TiN-Ag薄膜的硬度先逐漸升高后逐漸降低，在Ag原子百分比為0.8%時(shí)，其最大硬度為29 GPa，這主要?dú)w因于細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)。由于Ag的潤(rùn)滑作用，其摩擦系數(shù)由Ag原子百分比為0時(shí)的0.78降至Ag原子百分比為41.1%時(shí)的0.2。此外，他們還制備了不同Ag含量的的ZrN-Ag。由于細(xì)晶強(qiáng)化作用和Ag含量的影響，當(dāng)Ag原子百分比為0.3%時(shí)硬度最大(約29 GPa)，其磨損率也最?。蹫?.1×10-8mm3/(N·m)］。在200～600℃時(shí)，由于Ag的潤(rùn)滑作用，摩擦系數(shù)隨著Ag含量的增加不斷減小，最后達(dá)到穩(wěn)定值。不難看出，在硬質(zhì)涂層中加入潤(rùn)滑組元，涂層不僅保留了原有的硬度以及良好的耐磨性能，還會(huì)因?yàn)椴煌繚?rùn)滑組元的加入得到強(qiáng)化，甚至在一定的溫度范圍內(nèi)有自潤(rùn)滑效果。

1.4 具有溫度循環(huán)服役能力的復(fù)合涂層

復(fù)合膜除了實(shí)現(xiàn)寬溫域下的連續(xù)潤(rùn)滑外，溫度循環(huán)服役問(wèn)題也是目前學(xué)術(shù)界的難題之一,而一種Ni基復(fù)合涂層為這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)解決途徑。鐘火清等[28]利用大氣等離子噴涂法制備了NiMoAl-10Ag-6Al2O3復(fù)合涂層，并研究了涂層在寬溫域內(nèi)(室溫～900℃)的摩擦學(xué)性能和在可逆溫度循環(huán)下的自潤(rùn)滑及磨損機(jī)制。發(fā)現(xiàn)：NiMoAl-10Ag-6Al2O3復(fù)合涂層在900℃時(shí)摩擦系數(shù)低至0.17，磨損率也達(dá)到3.35×10-5mm3/(N·m)的較低值。在降溫循環(huán)中，900℃摩擦所形成的摩擦層對(duì)涂層在隨后低溫階段的摩擦性能有明顯的影響。900℃摩擦生成的摩擦層或潤(rùn)滑膜主要由Ag2MoO4和NiO納米顆粒組成，并且該摩擦層在隨后500℃摩擦中得到較好的保留和延續(xù)(在900～500℃循環(huán)摩擦后的涂層磨損率最低)，并進(jìn)一步減輕了室溫摩擦；原因是900℃摩擦?xí)r形成的摩擦層/潤(rùn)滑膜可繼續(xù)為涂層在500℃時(shí)的摩擦提供良好的潤(rùn)滑功能，并形成更致密和連續(xù)的摩擦層/潤(rùn)滑膜。

2 多層薄膜

納米結(jié)構(gòu)涂層因獨(dú)特的物理、化學(xué)特性引起了人們的關(guān)注，與材料表面相關(guān)的性質(zhì)包括機(jī)械加工中的硬度，耐高溫、耐磨、耐蝕、耐氧化等性能[29]。納米結(jié)構(gòu)多層膜是目前研究的熱點(diǎn)之一，其是由兩種或兩種以上不同材料，通過(guò)一定方式獲得結(jié)構(gòu)或成分在納米尺度范圍內(nèi)周期性交替生長(zhǎng)的薄膜材料。

單層復(fù)合薄膜中潤(rùn)滑劑添加量少對(duì)潤(rùn)滑性能改善效果不明顯，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；而多層膜相比于單層膜而言，其硬度有質(zhì)的改變。鞠洪博等[31-32]采用射頻磁控濺射法制備了不同調(diào)制周期的TiAlSiN/Mo2N多層膜，發(fā)現(xiàn)不同周期調(diào)制的TiAlSiN/Mo2N多層膜的硬度均比單層TiAlSiN，Mo2N薄膜大且不隨調(diào)制周期變化(穩(wěn)定在29 GPa)，在室溫時(shí)的平均摩擦系數(shù)均低于單層TiAlSiN，Mo2N薄膜。此外，他們還制備了不同周期的NbSiN/VN多層膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)制比(相鄰兩層薄膜的厚度比)為5∶1(VN厚度為1 nm)時(shí)，NbSiN/VN多層膜具有最高硬度，而且室溫時(shí)的摩擦系數(shù)與VN的厚度也有一定的關(guān)系。

目前，對(duì)MoS2，類(lèi)金剛石碳(DLC)以及潤(rùn)滑氧化物薄膜這3類(lèi)自潤(rùn)滑薄膜的報(bào)道比較多。其中MoS2，DLC的氧化溫度比較低，在300～400℃時(shí)就發(fā)生氧化失效。因此，在一些升溫較快的工程環(huán)境中，潤(rùn)滑氧化物(如Ti，Mo，W，V等元素的Magnéli相氧化物)薄膜就顯得十分重要。但V，Mo的氧化物都是在高溫下形成，因此在高溫下?lián)碛泻芎玫臏p摩性能。比如，V要在環(huán)境溫度大于700℃時(shí)，才便于其Magnéli相氧化物形成[33]。因此，多層膜要在寬溫域下連續(xù)潤(rùn)滑，不同薄膜材料的搭配顯得十分重要，而自適應(yīng)摩擦涂層便是一個(gè)很好的解決途徑。例如Mo2N/MoS2/Ag自適應(yīng)涂層[34]，在室溫時(shí)其摩擦系數(shù)為0.4～0.6，350℃時(shí)由于Ag的中溫潤(rùn)滑作用其摩擦系數(shù)降至0.3，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)摩擦系數(shù)低至0.1，這歸因于Ag2Mo4O13，Ag2Mo2O7和Ag2Mo4三相的共同潤(rùn)滑作用。摩擦系數(shù)在300 000次的循環(huán)中都穩(wěn)定保持在0.1。NbN/Ag/MoS2自適應(yīng)涂層[35]則從室溫至1 000℃都表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能。在室溫，350，750以及1 000℃時(shí)，摩擦系數(shù)分別為0.27，0.29，0.06和0.40。在中溫時(shí)，Ag起到了很好的減摩作用；在高溫時(shí)，Ag2Mo2O7和MoO3兩相的生成起到了很好的減摩作用。

自適應(yīng)涂層根據(jù)不同組元在不同溫度下的潤(rùn)滑能力和在摩擦表面形成不同的相實(shí)現(xiàn)了寬溫域下的自潤(rùn)滑，但一般中溫潤(rùn)滑材料(比如Ag)因溫度升高而向表面遷移，削弱了二次潤(rùn)滑的能力，因此在溫度可逆的條件下，高溫時(shí)潤(rùn)滑相的存在仍然起著減摩作用，但中溫時(shí)潤(rùn)滑組元因向表面遷移而過(guò)度消耗，其減摩作用就大大削弱了。Hu等[36]的YSZ-Ag-Mo自適應(yīng)涂層中的一些設(shè)計(jì)很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。他們采用過(guò)濾真空電弧、磁控濺射和脈沖激光沉積相結(jié)合的方法，在不銹鋼腔體中制備了YSZ-Ag-Mo納米復(fù)合鍍層。實(shí)驗(yàn)中YSZ-Ag-Mo納米復(fù)合鍍層在25～700℃范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)保持在0.4左右。但在高溫下，熱誘導(dǎo)下的Ag擴(kuò)散和聚結(jié)，導(dǎo)致了涂層的微觀結(jié)構(gòu)變化和化學(xué)變化——在涂層表面形成粒狀A(yù)g膜，在涂層下方留下一層貧Ag的YSZ-Mo層，這使得在更高溫度下薄膜的潤(rùn)滑性能大大下降。對(duì)此，他們?cè)?層YSZ-Ag-Mo中加了1層TiN阻隔層，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 由TiN擴(kuò)散阻擋層分割的多層結(jié)構(gòu)示意圖

TiN阻擋層保護(hù)了下方的潤(rùn)滑相，以便能夠持續(xù)潤(rùn)滑，TiN層被磨損破壞時(shí)，阻擋層下的銀向磨損凹痕處橫向擴(kuò)散。這樣的自適應(yīng)涂層能夠從YSZAg-Mo復(fù)合材料內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)域向表面接觸區(qū)域供應(yīng)潤(rùn)滑相。多層YSZ-Ag-Mo/TiN涂層在25 000次循環(huán)中的摩擦系數(shù)始終保持在0.4左右，而整體YSZ-Ag-Mo涂層的耐磨損性能在循環(huán)5 000次時(shí)就已經(jīng)消耗殆盡。TiN/YSZ阻擋層不僅使涂層持續(xù)潤(rùn)滑能力得到了保障，還解決了金屬Ag在單次寬溫域潤(rùn)滑過(guò)程中的過(guò)度消耗，此外還實(shí)現(xiàn)了溫度可逆條件下的連續(xù)潤(rùn)滑。

3 總結(jié)與展望

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用固體潤(rùn)滑技術(shù)解決了許多工程應(yīng)用中的問(wèn)題，如滑動(dòng)部件的服役壽命問(wèn)題，寬溫域下實(shí)現(xiàn)連續(xù)潤(rùn)滑以及溫度可逆條件下的持續(xù)潤(rùn)滑問(wèn)題等。單層膜制備工藝簡(jiǎn)單，易于添加各種增強(qiáng)相，基體(金屬基、陶瓷基等)耐高溫、耐摩擦磨損等，且不同潤(rùn)滑組元的加入在摩擦表面形成轉(zhuǎn)移膜，從而具有良好的潤(rùn)滑性能，因而被廣泛使用。但是單層膜各相的晶粒形成和長(zhǎng)大所需要的能量環(huán)境難以通過(guò)制備工藝的改變進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，從而造成相的分布與尺寸難以精確控制。此外，由于單層膜的貴金屬潤(rùn)滑組元消耗較高，導(dǎo)致其持續(xù)潤(rùn)滑性能也較為薄弱。多層膜因硬度高、耐高溫、耐磨、耐蝕、耐氧化等優(yōu)異性能使其磨損壽命大大延長(zhǎng)，且在寬溫域下潤(rùn)滑相的形成使得其持續(xù)潤(rùn)滑能力十分可觀，對(duì)溫度循環(huán)問(wèn)題提供了不錯(cuò)的解決途徑。但當(dāng)下的問(wèn)題仍然很多，比如復(fù)合膜中固體潤(rùn)滑劑與基體的結(jié)合問(wèn)題、新的固體潤(rùn)滑劑的開(kāi)發(fā)等。新型納米結(jié)構(gòu)多層膜的開(kāi)發(fā)，對(duì)納米結(jié)構(gòu)多層膜硬度機(jī)理的研究以及更寬溫域下自潤(rùn)滑多層膜的設(shè)計(jì)等都是今后需要探索的方向。