黃國(guó)威, 樊舒凱, 李 婷, 孫 濤, 樊恒中*, 蘇云峰, 宋俊杰

(1.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050;2.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)

機(jī)械裝備運(yùn)動(dòng)零部件的摩擦、磨損和潤(rùn)滑已成為影響機(jī)械系統(tǒng)能源效率、性能提升、服役可靠性和壽命的共性問題.據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件摩擦、磨損致使大約60%的機(jī)械零部件發(fā)生故障或失效，嚴(yán)重情況甚至?xí)斐蔀?zāi)難性事故[1-3].銅合金及其復(fù)合材料因具有高導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、抗沖擊性、優(yōu)異的導(dǎo)電性和易于加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通和海洋工程等領(lǐng)域的機(jī)械裝備運(yùn)動(dòng)部件(滑動(dòng)軸承、導(dǎo)軌、軸瓦、動(dòng)密封和剎車片等)中[4-7].隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械裝備服役環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)苛，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件用材料的服役環(huán)境、使用可靠性和服役壽命提出了更高的要求，其關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件長(zhǎng)期服役于高/低溫、高/低速、強(qiáng)震動(dòng)以及強(qiáng)腐蝕環(huán)境.傳統(tǒng)將固體潤(rùn)滑劑(包括石墨、MoS2、WS2、CNTs和石墨烯等)與銅基體通過粉末冶金方法機(jī)械混合燒結(jié)制備的銅基復(fù)合材料因潤(rùn)滑相分布不均勻易造成服役過程中摩擦表面局部磨損嚴(yán)重，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定[8].此外，潤(rùn)滑相的加入破壞了金屬基體相的連續(xù)性，引入弱界面相易導(dǎo)致銅基復(fù)合材料抗沖擊性能較差，顯著降低了銅基復(fù)合材料的服役可靠性和使用壽命[9-10].采用傳統(tǒng)粉末冶金方法制備的銅基復(fù)合材料已不能滿足現(xiàn)代裝備運(yùn)動(dòng)部件的性能要求.

近年來(lái)，研究人員利用表面改性技術(shù)在改善銅合金表面摩擦學(xué)性能方面開展了大量研究工作，主要有激光涂覆/熔覆技術(shù)、電子束表面熔凝技術(shù)、離子束表面注入技術(shù)、化學(xué)表面鍍、機(jī)械合金化、表面微織構(gòu)以及表面噴涂技術(shù)[11-18].研究結(jié)果表明，表面改性技術(shù)在不破壞基體材料的基礎(chǔ)上，可以顯著改善銅合金表面硬度和摩擦學(xué)性能，但因銅合金本征特性，現(xiàn)有的表面改性技術(shù)仍然具有一定局限性，主要表現(xiàn)如下：(1)銅合金自身對(duì)激光吸收率低，極大限制了激光表面改性技術(shù)在銅合金表面的應(yīng)用；(2)硬質(zhì)涂層/薄膜與低硬度的銅合金基體界面結(jié)合較差，應(yīng)用可靠性和服役壽命無(wú)法保障；(3)現(xiàn)有的表面改性技術(shù)在復(fù)雜形狀零部件表面改性能力較差，且后期加工易造成表面損傷.針對(duì)以上問題，研究人員嘗試通過表面改性層的設(shè)計(jì)、引入梯度層和工藝創(chuàng)新研究，一定程度上改善了銅合金表面改性技術(shù)存在的不足，但相關(guān)研究缺乏系統(tǒng)性[19-22].

基于以上背景，本文作者針對(duì)傳統(tǒng)銅基復(fù)合潤(rùn)滑材料以及銅合金表面改性技術(shù)的不足，借助激光表面加工技術(shù)，將柔性石墨紙加工制成規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)，在銅合金表面創(chuàng)新設(shè)計(jì)并制備出石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層結(jié)構(gòu).系統(tǒng)研究了不同織構(gòu)圖案和不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維復(fù)合潤(rùn)滑層表面與不銹鋼配副在干摩擦和海水腐蝕環(huán)境下的摩擦學(xué)性能，分析和探討了摩擦磨損機(jī)制，并進(jìn)一步考察了石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層在海水腐蝕環(huán)境中的耐蝕性和腐蝕機(jī)理.

1 試驗(yàn)部分

選用商用Cu663(Cu-6Sn-6Zn-3Pb: 約6%Sn, 6%Zn,3%Pb, Cu余量)粉末(≤ 80 μm)為基體材料，厚度為0.3 mm的柔性石墨紙，銅合金表面三維復(fù)合潤(rùn)滑層結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)思路和制備流程如圖1所示，以下為試驗(yàn)樣品具體制備步驟.

Fig.1 The schematic of fabrication process for the copper-graphite surface composition-lubricating layers圖1 表面石墨-銅復(fù)合潤(rùn)滑層制備工藝示意圖

1.1 激光織構(gòu)柔性石墨紙

采用激光微加工技術(shù)在柔性石墨紙表面加工規(guī)則多孔圖案，激光選用調(diào)Q的Nd：YAG 脈沖激光器.通過多次調(diào)試和工藝參數(shù)優(yōu)化，最終確定激光加工參數(shù)如下：激光波長(zhǎng)355 nm，功率為9.41 W，脈沖寬度為9 μs，掃描速度為200 mm/s，掃描次數(shù)為150次.本試驗(yàn)加工了圓形和矩形兩種不同規(guī)則圖案的多孔柔性石墨紙，圖案尺寸參數(shù)主要包括圓形圖案的直徑、中心間距，矩形圖案的長(zhǎng)寬、縱向間距、橫向間距及石墨密度，具體圖案和尺寸參數(shù)如圖2和表1所示.兩種圖案對(duì)應(yīng)的表面石墨密度保持一致，表面石墨密度(ε)的計(jì)算公式由式(1)給出.

表1 兩種織構(gòu)圖案的尺寸參數(shù)Table 1 The parameter of two micro-patterns

式中：S表示每一個(gè)獨(dú)立單元圖案的面積；n表示獨(dú)立織構(gòu)圖案的數(shù)量；L是矩形石墨紙的長(zhǎng)度，最終獲得表面石墨密度為40%、50%、60%、70%和80%的兩種不同圖案的多孔石墨紙.

Fig.2 Schematic diagrams of lasered surface textures of graphite papers圖2 織構(gòu)圖案示意圖

1.2 表面三維復(fù)合潤(rùn)滑層的制備

將預(yù)定質(zhì)量的Cu663粉體置于鋼模具中鋪平，再將激光織構(gòu)加工后的柔性石墨紙放于頂部，并鋪上少量Cu663粉以填充柔性石墨紙孔洞，冷壓成型得到銅合金基體表面石墨-銅三維潤(rùn)滑層結(jié)構(gòu)材料素胚.將素胚在真空熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為795 ℃，壓力為23 MPa，保溫保壓60 min，燒結(jié)過程中真空度保持在1×10-2Pa以下，隨爐冷卻后得到表面石墨密度分別為40%、50%、60%、70%和80%，尺寸為25 mm×25 mm×(4～5) mm的銅基表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層(Cu-G)的樣品，作為對(duì)比，采用同樣的工藝參數(shù)制備了無(wú)表面潤(rùn)滑層的Cu663合金塊體材料.以樣品表面石墨密度命名，如Cu-40G表示具有40%表面石墨密度的表面三維復(fù)合潤(rùn)滑層的復(fù)合材料.

1.3 摩擦學(xué)性能測(cè)試

采用美國(guó)UMT-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其摩擦學(xué)性能，接觸方式采用栓-塊接觸，以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的形式在樣品表面進(jìn)行摩擦試驗(yàn).選用φ3 mm的不銹鋼栓(12Cr17Ni7)作為摩擦配副材料，硬度約為200HV，表面粗糙度約為0.05 μm(Ra).試驗(yàn)工況如下：載荷20 N(對(duì)應(yīng)2.8 MPa的接觸壓強(qiáng))，頻率為5 Hz(對(duì)應(yīng)滑動(dòng)平均速度為49.5 mm/s)，線性全振幅為4.95 mm(由儀器所決定的最大行程)，摩擦學(xué)測(cè)試在室溫20 ± 2 ℃以及25% ± 5%的相對(duì)濕度條件下進(jìn)行.在摩擦試驗(yàn)開始前先將所有樣品表面拋光，使表面粗糙度Ra保持在0.1～0.3 μm的范圍，并用乙醇棉球清洗表面污物.作為比較試驗(yàn)，本試驗(yàn)還研究了相同條件下無(wú)表面潤(rùn)滑層的Cu663合金的摩擦學(xué)性能.同時(shí)，在相同測(cè)試條件下，考察了材料在標(biāo)準(zhǔn)海水環(huán)境中的腐蝕特性和摩擦學(xué)性能.本試驗(yàn)中所有樣品至少測(cè)試3次，每次測(cè)試結(jié)束更換新的配副，試驗(yàn)結(jié)果取3次數(shù)據(jù)平均值.

1.4 微觀結(jié)構(gòu)和磨損表面表征

使用配備X射線能譜分析(EDS)檢測(cè)器的掃描電子顯微鏡(SEM，日本，JSM-5600LV)表征分析銅合金表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層初始和磨損表面的形態(tài)特征.使用X射線衍射儀(XRD)表征石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層的相結(jié)構(gòu).使用三維表面輪廓儀(VHX-5 000，Keyence)測(cè)量樣品表面粗糙度，并通過分析軟件計(jì)算每個(gè)磨痕的磨損量損失，磨損率通過Archard方程計(jì)算，如式(2)所示.

其中：V表示磨損體積，單位mm3；S表示總滑動(dòng)距離，單位m；F表示摩擦試驗(yàn)中施加的法向載荷，單位N.

2 結(jié)果與討論

2.1 表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層形貌與微觀組織

Fig.3 SEM micrographs and the XRD patterns of graphite-copper lubricating layer圖3 表面石墨-銅自潤(rùn)滑層結(jié)合界面SEM圖像和XRD圖譜

圖3 (a)和(b)分別給出了銅合金表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層橫截面形貌的SEM照片，圖3(c)給出具有不同表面石墨密度三維復(fù)合潤(rùn)滑層的XRD衍射峰譜圖.從圖3(a)SEM照片可以看出，通過冷壓成型和熱壓燒結(jié)制備的表面三維復(fù)合潤(rùn)滑層(柔性石墨紙)與基底界面結(jié)合良好，無(wú)明顯孔洞和裂紋等缺陷，界面清晰可見.進(jìn)一步對(duì)石墨-銅界面微觀結(jié)構(gòu)表征分析，燒結(jié)過程的外加壓力和石墨-銅互嵌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使銅和石墨界面實(shí)現(xiàn)機(jī)械互鎖結(jié)合[圖3(b)].從XRD譜圖[圖3(c)]中可知，除了Cu663合金的峰(Cu、Sn、Zn)之外，試樣僅包含石墨的特征峰，無(wú)新物相的衍射峰，表明熱壓燒結(jié)過程中石墨與銅合金基體的界面處沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng).

圖4給出了不同圖案和尺寸參數(shù)的表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層典型SEM照片.由圖4可以看出，采用激光刻蝕，可以將柔性石墨紙加工出尺寸可控、規(guī)則排列的多孔結(jié)構(gòu)，通過改變相鄰紋理之間的尺寸參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑層表面石墨密度的調(diào)控.拋光處理后的樣品表面光滑且圖案清晰可見，經(jīng)過真空熱壓燒結(jié)后的圓形圖案[圖4(a～c)]和矩形圖案[圖4(d～f)]結(jié)構(gòu)保持完整，界面結(jié)合良好，無(wú)明顯孔洞和裂紋等缺陷，柔性石墨紙被銅合金基體通過互鎖來(lái)固定，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，石墨密度從40%增至80%.

Fig.4 Typical SEM micrograph of the layer surfaces圖4 具有不同圖案和參數(shù)的表面自潤(rùn)滑層的SEM圖像

2.2 表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層在干摩擦條件下的摩擦學(xué)性能

圖5 為兩種圖案類型及其不同尺寸參數(shù)的表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層和對(duì)照樣品的摩擦系數(shù)和磨損率測(cè)試結(jié)果.從圖5(a～b)可以看出，在銅合金表面進(jìn)行石墨-銅三維潤(rùn)滑設(shè)計(jì)可以大幅度改善銅合金材料表面的摩擦學(xué)性能，表面石墨-銅三維潤(rùn)滑層摩擦系數(shù)和磨損率最低(表面石墨密度為80%)可降低至0.11和(3.33 ± 0.93)×10?6mm3/(Nm)，與無(wú)潤(rùn)滑層樣品的摩擦系數(shù)0.53和磨損率(2.97 ± 0.56)×10?4mm3/(Nm)相比分別降低了80%和2個(gè)數(shù)量級(jí).此外，圖案類型和尺寸參數(shù)對(duì)表面潤(rùn)滑層摩擦學(xué)性能也有顯著影響，隨著表面石墨含量增加，兩種類型圖案潤(rùn)滑層的摩擦系數(shù)均呈下降趨勢(shì)，而磨損率呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，隨著石墨密度的增加顯著增大，耐磨性能降低.圖5(c～d)給出了典型的摩擦系數(shù)曲線，可以看出表面無(wú)石墨-銅潤(rùn)滑層的對(duì)照樣品在整個(gè)摩擦過程中摩擦系數(shù)高且波動(dòng)較大，而引入石墨-銅潤(rùn)滑層的樣品摩擦系數(shù)低且平穩(wěn)，表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能.由此可知，材料的減摩性能和耐磨性能隨著石墨含量的增加呈現(xiàn)完全相反的規(guī)律，因此要獲得具有優(yōu)異的減摩耐磨性能的石墨-銅潤(rùn)滑層必須綜合考慮兩方面的因素.

此外，從摩擦系數(shù)和磨損率結(jié)果可以看出，在80%表面石墨密度下，圓形圖案與矩形圖案的摩擦學(xué)性能差異較大，當(dāng)表面石墨密度小于80%時(shí)差異較小.導(dǎo)致磨損率差異較大的根本原因是配副材料不銹鋼栓在圓形和矩形三維復(fù)合潤(rùn)滑層表面摩擦接觸面上石墨與銅的含量不同，進(jìn)而導(dǎo)致材料摩擦區(qū)域承載能力發(fā)生改變.為進(jìn)一步闡明這一現(xiàn)象，圖6給出了摩擦試驗(yàn)時(shí)的磨痕區(qū)域示意圖，可以看出，矩形中的銅合金在排與排之間以交錯(cuò)分布方式排列，而圓形圖案三維復(fù)合潤(rùn)滑層表面中銅合金在排與排之間以對(duì)齊方式排列.在摩擦過程中，隨著表面石墨密度的增大，即當(dāng)S增大時(shí)，表面銅合金含量分布急劇下降，矩形圖案摩擦區(qū)域內(nèi)銅合金分布明顯比圓形圖案中銅合金分布多.因此，矩形圖案承載能力更大，耐磨損性能好，且隨著石墨面密度的增大表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐磨損性能.

Fig.5 Tribological properties of Cu-G圖5 石墨-銅表面自潤(rùn)滑層的摩擦學(xué)性能

Fig.6 Schematic diagram of wear scar position on the surface graphite-copper composite lubricating layer圖6 石墨-銅表面自潤(rùn)滑層磨痕位置示意圖

為分析表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層的磨損機(jī)理，對(duì)典型樣品磨損表面顯微形貌和元素分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示.從SEM照片可以看出，對(duì)照樣品銅合金表面發(fā)生嚴(yán)重的黏著磨損和磨粒磨損[圖7(a)]，EDS元素譜圖中分布大量的Fe元素，表明配副材料不銹鋼表面的磨損顆粒鐵屑被轉(zhuǎn)移黏著到銅合金摩擦表面[圖7(a”)])，大量的硬質(zhì)顆粒加速了樣品和摩擦配副之間的磨損，這也進(jìn)一步解釋了摩擦系數(shù)波動(dòng)大、磨損率高的原因.從典型的石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層表面磨損形貌SEM照片[圖7(b，c)])可以看出，石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨損性能，樣品表面經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間摩擦后磨損表面平整，表面圖案形貌保持完整，未發(fā)現(xiàn)明顯的磨粒磨損和犁溝產(chǎn)生.EDS元素譜圖[圖7(b’，c’)]顯示磨損表面石墨摩擦發(fā)生滑移在銅合金區(qū)域上形成局部薄且均勻的潤(rùn)滑膜，該潤(rùn)滑膜能夠顯著降低材料表面的摩擦系數(shù)和磨損率.

Fig.7 SEM micrographs and EDS maps of worn surfaces圖7 石墨-銅表面自潤(rùn)滑層的磨斑形貌和元素分析

為進(jìn)一步研究石墨潤(rùn)滑膜對(duì)材料表面的防護(hù)作用，對(duì)銅合金表面和石墨-銅潤(rùn)滑層的磨損表面微區(qū)特征進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示.從圖8(a)可以看出，銅合金表面在接觸壓力和摩擦剪切應(yīng)力的作用下發(fā)生斷裂，并被磨碎形成大量的磨屑，其磨損機(jī)理主要是黏著磨損和磨粒磨損.石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層表面的磨損明顯較小，銅周圍區(qū)域的石墨通過切削、擠壓剝落等方式發(fā)生剝離和滑移，分離出的片狀石墨碎片在接觸壓力和摩擦剪切應(yīng)力的作用下被拖覆沿滑動(dòng)方向擴(kuò)展形成潤(rùn)滑膜[圖8(b～c)].此外，通過表面三維輪廓形貌可以更清楚地看到石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層顯著改善了銅合金表面的耐磨性，銅合金平均磨損深度約100 μm，比石墨-銅潤(rùn)滑層的平均磨損深度5 μm高約20倍(圖9).

通過對(duì)石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層的摩擦對(duì)偶表面進(jìn)行磨損形貌和元素分析可知，摩擦對(duì)偶表面形成1層轉(zhuǎn)移膜，其主要是C元素和少量的Cu元素[圖10(b,d)]，表明配副材料表面形成的轉(zhuǎn)移膜主要是潤(rùn)滑膜，但少量的硬質(zhì)銅顆粒在滑動(dòng)過程中對(duì)轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行擠壓使其脫落破壞了轉(zhuǎn)移膜的連續(xù)性，因此轉(zhuǎn)移膜的破壞和生成是1個(gè)動(dòng)態(tài)的過程.總而言之，摩擦對(duì)偶材料的表面未見明顯的犁削和磨損，說(shuō)明轉(zhuǎn)移膜的產(chǎn)生有效抑制了配副材料表面的磨損.

圖11給出了石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層的減摩抗磨機(jī)理示意圖.在摩擦初始階段，銅合金基體和鋼配副表面存在許多微凸體[圖11(a)]，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，微凸體以二體磨粒的形式存在并在摩擦表面犁削產(chǎn)生磨痕，其中部分微凸體破碎形成第三體磨屑加劇材料表面的磨粒磨損[23-24].同時(shí)，游離的磨屑和微凸體擠壓石墨區(qū)域，并將石墨以鱗片狀的形式剝離下來(lái)并滑移至銅合金區(qū)域，同時(shí)在摩擦剪切力的作用下形成潤(rùn)滑膜[圖11(b)]，部分游離的石墨相在接觸壓力的作用下粘附在摩擦配副表面形成轉(zhuǎn)移膜.除了潤(rùn)滑膜的轉(zhuǎn)移之外，摩擦表面之間還存在磨粒的交換.當(dāng)摩擦過程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，連續(xù)的潤(rùn)滑膜和轉(zhuǎn)移膜完全形成[圖11(c)]，并不斷被磨粒破壞導(dǎo)致部分脫落，直到潤(rùn)滑膜和轉(zhuǎn)移膜的生成和剝離達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡.因此，材料在固體潤(rùn)滑膜的作用下表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能.

Fig.8 Magnified SEM micrograph of worn surfaces圖8 石墨-銅表面自潤(rùn)滑層的磨斑形貌

Fig.9 The 3D surface profiles and topographies of worn surfaces圖9 表面磨斑三維輪廓圖

2.3 表面石墨-銅三維復(fù)合滑層在海水環(huán)境下的腐蝕和摩擦學(xué)性能

針對(duì)Cu663合金在海水腐蝕環(huán)境中的廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步考察了銅合金表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層在海水環(huán)境下的腐蝕性能和摩擦學(xué)性能.選擇干摩擦下摩擦系數(shù)和磨損率較優(yōu)的石墨密度為50%的樣品作為考察對(duì)象.首先，通過電化學(xué)腐蝕測(cè)試儀比較Cu663合金和Cu-50G兩種材料表面的耐腐蝕性能，結(jié)果如圖11所示.Cu-50G的曲率半徑遠(yuǎn)大于Cu663合金的曲率半徑，表明石墨-銅潤(rùn)滑層具有更優(yōu)異的抗極化性和更好的抗腐蝕能力[圖12(a)]，Cu-50G的優(yōu)異耐腐蝕性還反映在低腐蝕電流和極化曲線中腐蝕電位的正偏移上[圖12(b)].圖12(c)給出了海水腐蝕環(huán)境下Cu663合金和Cu-50G的平均摩擦系數(shù)和磨損率，Cu-50G的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.23和(1.83 ± 0.59) × 10?5mm3/(Nm)，分別比Cu663合金的0.43和(7.72 ± 0.87) × 10?5mm3/(Nm)降低了47%和76%.由此可見，海水腐蝕環(huán)境下銅合金表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層具有優(yōu)異抗腐蝕性能和摩擦學(xué)性能.

圖13給出了樣品腐蝕表面的SEM照片和EDS元素譜，可以看出Cu663合金腐蝕后表面粗糙，腐蝕區(qū)域產(chǎn)生大量凹坑，為典型的電化學(xué)腐蝕特征.相比而言，Cu-50G 的腐蝕表面腐蝕程度明顯輕微且保持光滑，有少量的凹坑主要分布在石墨與銅的界面結(jié)合處[圖13(d)].這主要是由于海水腐蝕環(huán)境下石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層中Cu與石墨之間產(chǎn)生微電極，微電極的存在使得腐蝕一直集中在界面區(qū)域，有效抑制和保護(hù)了材料其他區(qū)域[25].從圖13中Cl元素分布圖可以看出，腐蝕產(chǎn)物為金屬氯化物，如CuCl2、CuCl、SnCl2和ZnCl2.此外，在石墨相表面未檢測(cè)到Cl元素，表明腐蝕產(chǎn)物僅存在于銅基體表面.

Fig.10 SEM micrograph (a) and distribution of elements (element C: b; element Fe: c; element Cu: d) of worn surface of the pin圖10 配副材料的磨斑形貌(a)和元素分析(b～d)

Fig.11 Schematic diagrams of wear mechanism of Cu-G圖11 石墨-銅表面自潤(rùn)滑層潤(rùn)滑機(jī)理示意圖

Fig.12 The electrochemical corrosion tests (a, b) and corrosion friction tests (c, d) of Cu663 and Cu-50G圖12 Cu663合金和Cu-50G的電化學(xué)腐蝕測(cè)試(a，b)和腐蝕條件摩擦測(cè)試(c，d)

Fig.13 SEM micrographs (a, b, d, e) and distribution of Cl element (c, f) of corroded surfaces of Cu663 (a～c) and the Cu-50G with rectangular textures(d～e)圖13 Cu663合金(a～c)和矩形織構(gòu)圖案的Cu-50G(d～e)的腐蝕表面SEM圖像(a，b，d，e)和Cl元素分布圖(c，f)

Cu663合金和Cu-50G三維復(fù)合潤(rùn)滑層在海水腐蝕環(huán)境下經(jīng)過摩擦學(xué)測(cè)試后磨斑的SEM照片如圖14所示.可以看出，Cu663合金在海水環(huán)境下磨損表面與在干摩擦條件下完全不同，海水環(huán)境下Cu663合金表面發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕磨損和黏著磨損，并在摩擦表面形成腐蝕產(chǎn)物粘附于表面，因長(zhǎng)時(shí)間摩擦作用而剝落產(chǎn)生大量的犁削[圖14(b)].Cu-50G潤(rùn)滑層表面由于受海水的沖刷，未形成潤(rùn)滑膜[圖14(c)]，導(dǎo)致材料磨損率略有增加[26].由此可知，在腐蝕環(huán)境下，Cu-50G與Cu663相比表現(xiàn)出更優(yōu)異的抗磨損性能.

Fig.14 SEM micrographs (a～d) of corroded worn surfaces圖14 腐蝕磨損表面形貌的SEM照片(a～d)

3 結(jié)論

a.將規(guī)則排列的多孔結(jié)構(gòu)柔性石墨紙通過冷壓成型和熱壓燒結(jié)在Cu663合金表面成功構(gòu)筑了石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層結(jié)構(gòu).

b.石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層表面石墨面密度對(duì)材料干摩擦條件下的摩擦磨損性能具有顯著的影響，通過圖案紋理類型與幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效調(diào)控材料表面的摩擦磨損性能.

c.在干摩擦條件下，隨著表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層石墨表面密度的增加，潤(rùn)滑層的摩擦系數(shù)呈明顯下降趨勢(shì)，而磨損率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)Cu663表面三維復(fù)合潤(rùn)滑層石墨面密度為50%時(shí)，材料表現(xiàn)出較為優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，其摩擦系數(shù)和磨損率相較于無(wú)潤(rùn)滑層的Cu663樣品分別降低了73%和2個(gè)數(shù)量級(jí).

d.在海水腐蝕環(huán)境下，表面石墨-銅三維復(fù)合潤(rùn)滑層亦表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能和摩擦磨損性能，究其原因主要是銅與石墨界面易產(chǎn)生微弱電極，有效抑制了材料其他區(qū)域的腐蝕速率.