摘 要:随着海洋中丰富资源的深入开发,涉海机械装备运动副的摩擦磨损问题越来越受到研 究人员的重视。综述了海洋环境下金属、陶瓷、聚合物等运动副中主要材料的研究现状,系统分析 了海洋工况下运动副材料摩擦学性能的影响因素,讨论了深海摩擦学测试设备的研究进展,为涉海 机械装备运动副的选材和应用提供支撑。

关键词:运动副材料;摩擦学性能;涉海机械装备

中图分类号:TH117.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)02-0001-09

0 引 言

海洋面积占地球总表面积的2/3,蕴含着极为 丰富的资源。随着人类对资源需求的不断增加,以 及陆地资源的日益枯竭,海洋中蕴藏的资源越来越 受到重视。人类对于海洋的探索也逐渐从浅海向深 海、浅蓝向深蓝、近海向远海迈进。涉海机械装备在 海洋资源的开发过程中起着至关重要的作用。其 中,涉海机械装备运动副材料的摩擦磨损问题是制 约海洋资源开发装备发展的关键问题之一,也是海 洋工程装备发展中的重要难题。 在不同的海域中,海水的盐度、温度、深度以及 所含有的微生物等不尽相同,同时深海环境兼具高 压、腐蚀、低温等特点,因此在陆地环境下运动副材 料的摩擦学性能数据无法简单地转移至海洋环境下 使用。如何选择运动副材料是保证海洋工程装备可 靠、安全运行的重要课题。如何模拟复杂多样的深海 环境,以在相似工况下准确地提取材料的物理化学、 力学、摩擦磨损数据来评价材料的综合性能,也是涉 海机械装备发展的重要难题。为了给相关工作人员 提供参考,作者对海洋环境下机械装备运动副材料种 类、摩擦学性能的影响因素以及模拟海洋环境摩擦学 试验装备的研究进展进行了总结和展望,以期对涉海 机械装备的安全、可靠、长寿命运行提供帮助。

1 运动副中的主要材料及涂层

1.1 金属材料

金属具有高比强度、耐高温等优异的性能而广 泛应用在各种水下机器人、海水液压设备、水下航行器、管道等深海装备中。常用的金属材料有巴氏合 金、铝合金、钛合金、铁基合金和镍基合金等。水对 于传统金属材料的润滑效果比油的润滑效果差,在 海洋环境中,金属与金属组成的运动副会产生黏着 磨损。因此,一些科研人员将很多新型合金投入到 深海试验中,以找到一些适合深海环境的运动副材 料。

海水具有腐蚀性,在海洋环境中服役的运动副表 面产生的腐蚀产物具有一定的润滑作用。WANG 等[1]对 AISI321不锈钢和石墨/Cu-15Ni-8Sn复合材 料的摩擦副在海水中的摩擦学性能进行研究,发现 氧化物、氢氧化物和氯化物组成的腐蚀产物和石墨 使该运动副具有较好的耐磨性能。深海中的溶氧量 虽然很低,但仍能使金属材料氧化从而改变其摩擦 学性能。BASU 等[2]研究发现,在水润滑条件下与 轴承钢的微动磨损试验中,TiB2 基材料发生氧化生 成 TiO2,并结合在轴承钢的摩擦层上,从而降低了 磨损程度。CHENG 等[3]研究发现,在海水环境中, Ti-46Al-2Cr-2Nb合金和 GCr15钢的摩擦磨损过程 中,在 Ti-46Al-2Cr-2Nb合金表面形成了含铁和高 氧含量的保护膜,有利于提高其摩擦学性能。随着 海水深度的增加,溶氧量降低,QSn6.5-0.1 青铜的 腐蚀电位负移,腐蚀速率降低,磨损速率降低[4]。

在海水环境中材料的腐蚀与磨损之间存在协同 作用,导致磨损程度加剧。CHEN 等[5]研究发现, Ti-6Al-4V 合金与 MonelK500合金组成的运动副 在海水中的磨损质量损失比在蒸馏水中的大,这是 由于腐蚀与磨损之间存在协同作用,且随着磨损速 率的增加,这种协同作用变得越来越重要。深海环 境的高静水压力会加速腐蚀。SUN 等[6]研究表明, 当在350m 深水中对相同的受保护钢进行阴极保 护时,达到设计使用寿命所需要的 Al-Zn-In-Mg-Ti 牺牲阳极质量比在10m 浅水中至少多22%,这是 由在深水中牺牲阳极的晶间腐蚀更严重、质量损失 更大导致的。 青铜Cu-6Sn-6Zn-3Pb(青铜663)因其与钢轴的 良好相容性和嵌入外来颗粒的能力而广泛用于制造 船舶、机械和汽车等的中速和负载轴承和套筒。

青 铜663在海水环境中的磨损机理为微犁削、塑性变 形和腐蚀[7]。研究[8]表明,与青铜和石墨/青铜复合 材料相比,在海水环境中,镍包覆石墨/青铜复合材 料具有较小的摩擦因数和磨损率,摩擦学性能更好, 这是由于镍包覆石墨改善了青铜与石墨的界面结合性能。在海水润滑条件下,银/青铜663-2%Al2O3- 7%Ag(BAS3)复合材料在与 AISI321不锈钢的摩 擦过程中,表现出犁削、塑性变形和轻微分层特征, 可知该 复 合 材 料 在 海 水 中 具 有 较 好 的 摩 擦 学 性 能[9]。研究人员通过向 TiAl合金中添加陶瓷颗粒 来提高其硬度和耐磨性能,这种复合材料在海水润 滑中会形成黑色SiO2 薄膜,起到减摩抗磨作用[10]。

综上可知,部分金属材料因海水腐蚀形成的腐 蚀产物而表现出较好的耐磨性能,适用于深海设备 中,同时金属材料的复合改性也是使其获得较好摩 擦学性能的方法。

1.2 陶瓷材料

陶瓷具有高硬度、高强度、良好的化学惰性和良好 的电绝缘性等综合性能,广泛应用于轴承球和滚子、运 动部件以及其他摩擦部件。在水润滑条件下,传统的 金属轴承不适用于高速、腐蚀等环境,而陶瓷材料制造 的轴承则不会出现这些问题。与金属材料相比,陶瓷 材料具有更高的刚度、弹性模量和抗压强度[11]。

氮化硅(Si3N4)具有优良的耐磨性能,已经成为 制造陶瓷滚动轴承的首选材料,在海水中陶瓷材料能 与水介质发生摩擦化学反应,从而获得更加优异的摩 擦学性能。在Si3N4 与316不锈钢的摩擦磨损试验 中,Si3N4 表面生成的硅胶层可产生一定的边界润滑 作用,使得该摩擦副在海水中具有良好的摩擦学性 能,同时Si3N4/316不锈钢摩擦副在人工海水润滑下 的摩擦因数比在纯水条件下的摩擦因数低[12]。SiC 陶瓷的硬度较高,在泥浆中的摩擦因数比传统金属的 低[13]。CrSiBCN涂层/SiC运动副在海水中的摩擦因 数小于 CrSiBCN 涂层/GCr15运动副,这是由于 SiC 水化产 生 的 硅 胶 润 滑 作 用 导 致 的,因 此 SiC 是 与 CrSiBCN涂层相匹配的对磨材料[14]。

Ti3AlC2 陶瓷 材 料 兼 具 金 属 和 陶 瓷 的 优 异 性 能,如良好的导电性、抗热震性、可加工性等,近年来 研究人员将该材料应用到海洋摩擦学试验中。研 究[15-16]发现,Ti3AlC2/SiC 运动副在人工海水中的 摩擦过程中,在运动副表面形成了由 TiO2、Al2O3 和SiOx 组成的混合物摩擦膜,该膜具有良好的润 滑效果,Ti3AlC2/SiC 是一对具有一定应用前景的 海洋运动副材料。陶瓷材料常作为海洋环境中运动 副的基体材料[17]。

陶瓷材料的硬度高、韧性低,用在涉海机械装备 中易发生二体磨粒磨损,用于具有冲击载荷的运动 副中存在断裂的风险,因此在涉海机械装备中使用陶瓷材料时应充分考虑其实际工况。

1.3 聚合物材料

聚合物一般与金属材料组成运动副,以获得较 小的摩擦因数[18]。聚合物及其复合材料作为运动 副材料广泛用于制作涉海装备的密封件、活塞环、阀 门、轴承保持架等[19]。

旋转式动密封是水下旋转设备的关键技术。在 深海环境中,旋转式动密封的主要失效原因是环境 压力引起的过度磨损。有研究人员设计了一种由聚 四氟乙烯(PTFE)旋转密封和 O 形扣环组成的组合 式唇型密封,通过试验发现这种密封装置能在压力 小于30MPa的环境中工作10h以上不发生泄漏, 满足深海环境短时间工作的要求[20]。YANG 等[21] 以格莱圈为研究对象,对水润滑状态下的动态密封 特性进行了仿真研究,发现在恒定转速下,随着工作 压力的增加,格莱圈的摩擦力矩增大。

研究人员通过改善聚合物的表面形状来获得更 好的摩擦学性能。GUO 等[22]在超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)表面设计了柱状、立方体、长方体3种 凸纹理织构,这3种织构均有利于提高 UHMWPE/ QSn7-0.2铜运 动 副 的 摩 擦 学 性 能,其 中 柱 状 织 构 UHMWPE/QSn7-0.2铜运动副在动态滑动下具有 稳定的 摩 擦 学 性 能,而 立 方 体 织 构 UHMWPE/ QSn7-0.2铜运动副在低速条件下的摩擦学性能较 好。润滑介质会对轴承的摩擦学性能产生影响,在 磨合之后聚合物轴承的滑动面通常被水中的污垢颗 粒切削,而造成轴承表面损伤[23]。

在聚合物中填充纤维材料可使聚合物获得较好 的摩擦学性能。研究[24]发现,在质量分数25%玻璃 纤维填充 PTFE 基复合材料、25%石墨填充 PTFE 基复合材料、60% 青铜填充 PTFE 基复合材料中, 玻璃纤维增强复合材料的摩擦因数较低,石墨增强 复合材料的磨损率较低。质量分数25%石墨填充 PTFE基复合材料的摩擦学性能比质量分数 15% 石墨填充 PTFE 基复合材料差[25]。研究[26]表明, 含体积分数5%聚酰亚胺(PI)和15%碳纤维(CF) 的 PTFE基复合材料与316不锈钢组成的运动副 具有较好的耐磨性能。在 PI当中加入碳纤维和聚 对苯撑苯并双噻唑(PBO)纤维后可提高该材料的拉 伸强度、硬度和耐磨性,这是由于碳纤维和 PBO 纤 维对 PI基 体 具 有 协 同 增 强 作 用 导 致 的[27]。在 含 PTFE的 PI基复合材料中分别加入短碳纤维和芳 纶颗粒后,发现加入短碳纤维的 PI基复合材料在海 水中的摩擦学性能更好[28]。在海水润滑条件下,碳 纤维的加入可以提高聚醚醚酮(PEEK)的耐磨性, 但 PEEK 基复合材料的摩擦因数随碳纤维含量的 增加而增大。在体积分数为 5%,10%,20%,30% 的碳纤维增强 PEEK 基复合材料中,体积分数10% 碳纤维增强 PEEK 基复合材料的耐磨性较好,这是 由于碳纤维在滑动面上承受了载荷,保护了聚合物 基体免受严重磨损,但随着暴露在表面的碳纤维增 多,表面 粗 糙 度 增 加,最 终 导 致 海 水 润 滑 效 果 下 降[29]。研 究[30] 发 现,在 含 质 量 分 数 30%,40%, 50%树脂的碳纤维增强酚醛基复合材料中,树脂质 量分数为30%的碳纤维增强酚醛基复合材料具有 较好的抗冲击性能和摩擦学性能,且随着树脂含量 的增加,复合材料的界面剪切强度降低。由质量分 数30%碳纤维增强 PEEK 基复合材料和431不锈 钢组成的高压水润滑运动副在20 MPa压力下的磨 损机制 主 要 为 磨 粒 磨 损,并 伴 有 轻 微 的 疲 劳 磨 损[31]。与碳纤维增强聚酰胺-酰亚胺(PAI)基复合 材料 和 ABS 树 脂 材 料 相 比,含 碳 纤 维 质 量 分 数 30%的碳纤维增强 PEEK 基复合材料具有更优良 的抗冲击性能和摩擦学性能[32]。三维碳纤维织物 的加入显著提高了纯 PEEK 的摩擦学性能,且随着 碳纤维体积分数的增加,复合材料的摩擦因数和比 磨损率先减小后增大[33]。

PTFE/钢运动副在 NaCl溶液的摩擦过程中, 其界面上 Mg(OH)2 和 CaCO3 的沉积降低了界面 的腐 蚀,也 对 界 面 起 到 一 定 的 润 滑 作 用[34]。 研 究[35]发现,PTFE/Ni-P 合金涂层在海水中的摩擦 因数比在纯水中的低,这是由于涂层在海水中溶解 所生成的二价金属盐(主要是 Ca2+ 与 Mg2+ 等)具 有一定润滑作用。KHAN 等[36]研究发现,质量分 数60%青铜填充 PTFE 复合材料在海水中的平均 摩擦因数与比磨损率均比在蒸馏水中的低。石墨填 充 PTFE复合材料在海水中的摩擦学性能比在蒸 馏水中的优异。通过上述研究可以发现,聚合物一 般通过填充材料(石墨、玻璃纤维、碳纤维等)来获得 较优异的摩擦学性能,增强填料的摩擦学性能与填 料和基体的相互作用密切相关,同时聚合物在海水 中表现出比在纯水中更加优异的摩擦学性能,这主 要是由聚合物在海水中发生反应所形成的产物有利 于减少摩擦和磨损所致。
1.4 各种涂层

表面工程技术是提高海洋工程装备材料性能的主要方向之一,该技术将基体与涂层2种材料的优 势结合起来,在不破坏基体的前提下对其表面进行 强化。表面工程技术在提高运动副材料摩擦学性能 方面具有重大意义。

研究[37]发现,等离子喷涂 Ni60合金涂层可使 碳钢基体在海水中获得较好的耐腐蚀性能。采用超 音速火焰喷涂工艺在 Ti6Al4V 钛合金表面制备钨 掺杂类金刚石涂层后,在与氧化铝球的摩擦过程中, 合金表现出较低和稳定的摩擦因数,这是由于涂层 与基体 间 的 良 好 黏 附 性、涂 层 的 高 硬 度 所 致[38]。 SHAN 等[39]研究发现:在海水环境中,采用气相沉 积技术在316L不锈钢表面制备的 CrN 涂层在阴极 电位下的磨损过程以塑性变形为主,且随着电位的 增加,机械磨损贡献减小,腐蚀加速磨损贡献增大。 SUN 等[40]研究发现,在海水中与碳化硅球的对磨 试验中,随着硅含量的增加,CrAlSiN 涂层的摩擦因 数先降低后升高,含5.52%原子分数硅的 CrAlSiN 涂层综合性能较好。SiC和 Si3N4 可以降低掺铬类 石墨(GLC)膜的摩擦因数和比磨损率[41]。CrN 涂 层具有高硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性,适用于作 为海水润滑下运动副的保护材料[42]。在金属表面 喷涂陶瓷后可以提高其耐腐蚀性能[37],等离子喷涂 2Cr13涂层与浸巴氏合金石墨对磨时的摩擦学性能 优良,适合用于潜艇尾轴密封[43]。在海水环境中, Ni60结合层使等离子喷涂 Al2O3 涂层达到最佳的 耐腐蚀性能,也提高了涂层的减摩耐磨效果[44]。

JIANG 等[45]研究发现,高偏压(-250V)下硬 质聚氯乙烯涂层在海水中的磨损和腐蚀程度轻微, 这是因为高偏压下获得的光滑表面和致密结构共同 提高了涂层的抗腐蚀和磨损能力。SAMYN 等[46] 研究发现,在高静水压(大于3.5 MPa)下,环氧玻璃 鳞片涂层的综合性能优于环氧清漆涂层,在静水压 低于3.5 MPa时,环氧清漆涂层起泡和环氧玻璃鳞 片涂层腐蚀产物引起的湿附着力丧失,是涂层失效 的主要原因。研究人员[47]对一种基于高密度聚乙 烯(HDPE)的聚合物涂层在70 ℃海水中的老化过 程进行了研究,发现湿热老化是导致涂层弹性模量 和抗拉强度降低的原因。

2 运动副摩擦学性能的影响因素

2.1 材料的吸水性 吸水是聚合物材料的固有特性,用于水环境中 的运动副材料必须考虑其吸水性对摩擦学性能的影响。在水环境中,一些聚合物材料吸水塑化后会引 起表面硬度下降,造成体积膨胀和耐磨性降低。研 究[48]发现,经过深海环境高静水压力处理后的环氧 树脂出现了明显的褶皱、球状鼓起等现象,表明吸水 后环氧 树 脂 发 生 了 不 可 逆 的 破 坏。在 聚 酰 胺 66 (PA66)与钢的摩擦磨损试验中发现,PA66在吸水 后被水分子软化,增加了钢表面的界面附着力,从而 表现出很大的磨损率[49]。

吸水率与材料的组成有很大关系。在对碳纤维 和玄武岩纤维增强 PTFE 基复合材料摩擦学性能 的研究中发现,玄武岩纤维与基体界面的黏结性较 差,导致复合材料的吸水率较高,基体会严重塑化; 而碳纤维/PTFE 复合材料不会显著受到基体增塑 和纤维/基体界面降解的影响,磨损率较低。摩擦改 进剂的加入能降低吸水率对聚合物材料摩擦学性能 的影响[50]。将聚酰胺 6(PA6)和固体润滑剂包裹 PA6完全浸入温度为80℃的水中吸水约120h后, PA6在润滑条件下的静摩擦力增加,而固体润滑剂 包裹 PA6在润滑条件下的静摩擦力降低,这是由于 固体润滑剂提供的附着力所致[51]。PA66和含体积 分数30%短玻璃纤维的 PA66基复合材料在蒸馏 水中浸泡后,材料吸收水分子而软化,与碳钢制成的 圆环对磨后,PA66表现出高磨损率,而含体积分数 30%短玻璃纤维的 PA66基复合材料磨损率较低, 耐磨性能得到显著改善[52]。 综上可知,吸水性对材料的摩擦学性能有很大 影响,而吸水性与材料结构、改性剂、静水压力等都 有关系。但目前对于吸水性对材料摩擦学性能影响 机理的研究仍然有限,用于试验的材料过少,因此还 需要对材料吸水性进行更深入的研究。

2.2 静水压力

高净压力力是深海环境区别于陆地环境的一个 显著特点。在深海环境中,海水深度每增加100m, 对应的静水压力增加1MPa。目前主要通过改善设 备设计或寻找耐高压材料来满足深海中的高压工况。

研究人员设计了一种压力平衡结构,并对在水 下作业中的往复 O 形密封进行了研究;在该装置 中,海水中的压力可以通过橡胶囊传递到油中,并产 生可与静水压力平衡的压力;随着静水压力的增加, 密封件与凹槽的摩擦力降低,连接器表面的最小油 膜厚度增加,密封圈在深海环境中有更好的润滑性 能[53]。研究[54]发现,一种新型浮力调节海水泵的 海水润滑滑动轴承的水膜偏心率随着海水深度即静水压力的增加而增大,滑动轴承配合间隙减小,当海 水深度超过一定值时,左端和右端滑动轴承相继由 液体摩擦润滑状态变为边界摩擦润滑状态。

316不锈钢、C-276哈氏合金和Inconel625合 金的磨 损 率 随 海 水 静 水 压 力 的 增 加 而 增 大,而 Ti6Al4V 合金则随海水静水压力的增加而急剧下 降[55]。在高静水压力下,聚晶金刚石(PCD)和碳化 钨摩擦副的主要磨损机制是表层剥落和硬质颗粒剥 落,当静水压力由0增加到20.3 MPa时 PCD 和碳 化钨摩擦副的磨损率增加1.6~2倍[56]。随着静水 压力的增大,镍的耐腐蚀性能提高,但当静水压力达 到一定值时,镍钝化膜变得不稳定,表现出较高的溶 解速率,这时静水压力对钝化膜的变质效应大于改 善效应,导致钝化膜的耐腐蚀性能随着静水压力的 增加而降低[57]。钝化膜的形成和摩擦磨损过程存 在协同作用,钝化合金结构零部件服役期间不可避 免地承受摩擦等机械作用,容易因钝化膜被破坏而 导致突发性失效。

随着海水静水压力的增加,PEEK 和 PTFE 的 磨 损 率 增 大,聚 甲 醛 (POM)的 磨 损 率 降 低,而 UHMWPE的磨损率先基本不变后增大[58]。掺铬 GLC 薄膜与不同材料组成的运动副的摩擦因数主 要受海水静水压力的影响,二者呈逆线性关系[59]。 随着静水压力的增加,由体积分数30%碳纤维增强 PEEK 基复合材料和431不锈钢组成的高压水润滑 运动副的摩擦力减小,静水压力对其摩擦学性能的 影响是非线性的[31]。静水压力可提高碳纤维增强 PEEK 基复合材料的吸水性。在摩擦试验过程中, 微观孔隙吸收的水分会引起碳纤维增强 PEEK 基 复合材料发生不可逆的微观结构膨胀和塑化,从而 导致复合材料的性能下降。静水压力可以提高非晶 相的致密性。在高压环境下,非晶相中的缺陷可以 被挤压形成一个相对致密的结构,有助于提高强度。 碳纤维增强 PEEK 基复合材料的强度随着静水压 力的增加而下降,这是因为静水压力对 PEEK 的膨 胀作用大于挤出效应[34]。在单晶硅的划伤试验中 发现,在无静水压力时单晶硅会开裂,而在高静水压 力下几乎不开裂[60]。但是也有研究人员提出了不 同的观点。LIU 等[61]研究表明,热塑性聚合物的磨 损率随静水压力的增加而增大,这是由于一方面聚 合物的海水吸收率随着静水压力的增加而增大,而 海水在聚合物中的扩散会导致聚合物力学性能和耐 磨性下降;另一方面,高静水压力可以提高无定形大分子的堆积致密性,导致海水对材料的破坏作用大 于其对材料的改善作用。可知,静水压力主要从提 高材料致密性和改变材料结构两个方面来影响聚合 物材料的摩擦学性能,其对于不同材料的作用效果 也有所不同。

静水压力会加速合金点蚀的发生。研究[62]发 现,在较高的海水静水压力下,Fe-Cr合金表面亚稳 态坑的出现频率增加。静水压力的增加加快了亚稳 态点蚀的萌生速率,降低了其长大速率,从而提高了 Ni-Cr-Mo-V 钢的均匀腐蚀敏感性[63]。

2.3 运动副滑动速度

海水具有润滑特性,在海洋环境下服役的运动 副滑动速度对聚合物摩擦学性能的影响比外加载荷 的影响大[48]。研究[49]发现,在干摩擦状态下,随着 滑动 速 度 的 增 大,碳 纤 维/PTFE 复 合 材 料 在 和 AISI1045钢摩擦的过程中,磨损表面温度升高而发 生微熔,有助于摩擦转移膜的形成,从而降低摩擦因 数;但是在水润滑条件下,滑动速度的增加会加剧运 动副的腐蚀和磨损程度。研究[64]表明,在砂-水润 滑条件下,滑动速度对丁腈橡胶/不锈钢运动副的摩 擦学性能有显著影响,随着滑动速度的增加,磨损量 和表面粗糙度增大,而摩擦因数先减小后增大,由该 结果也得出了船用水润滑橡胶尾管轴承在砂水中工 作时的滑动速度范围。研究[65]表明,含体积分数均 为10%的PTFE、石墨、碳纤维增强 PEEK 基复合材 料均在极低的滑动速度下表现出较好的摩擦学性能。

X65管线钢在海水环境中经过摩擦和腐蚀作用 后,其腐蚀模式由在静态环境下的均匀电化学腐蚀 转变为均匀腐蚀与局部损伤相结合的形式,且在腐 蚀和冲蚀力的协同作用下,这种均匀腐蚀和局部损 伤程度随着滑动速度的增加而加剧[66]。当 PEEK 与陶瓷涂层组成运动副时,在海水润滑条件下的摩 擦因数 随 速 度 的 增 加 呈 下 降 趋 势[20]。研 究[67]表 明,在水润滑条件下高速橡胶轮对粗钢的磨损试验 中,滑动速度越高,摩擦因数越低。研究[68]表明,在 海水环境中16-16-2巴氏合金的摩擦因数和磨损率 随滑动速度的增加而减小。

综上可知,在海水润滑条件下,一部分运动副材 料表现出随着滑动速度增加,其摩擦学性能得到改 善的特性,这是由于海水环境对材料的润滑作用所 致;也有一部分运动副材料表现出随着速度增加其 摩擦学性能变差的特性,这是由于滑动速度的增加 破坏了水润滑条件下润滑膜的形成,或是海水和滑动速度共同作用下所形成的腐蚀导致的。

2.4 外加载荷

外加载荷会对海水环境中运动副表面的润滑膜 产生影响,一些材料随着载荷的增加,其表面润滑膜 破坏,摩擦学性能变差,而有些材料表面润滑膜更致 密,摩擦学性能变好。 2.4 外加载荷 外加载荷会对海水环境中运动副表面的润滑膜 产生影响,一些材料随着载荷的增加,其表面润滑膜 破坏,摩擦学性能变差,而有些材料表面润滑膜更致 密,摩擦学性能变好。

随着载荷的增加,在大多数情况下金属材料的 摩擦学 性 能 变 差。 在 saf2507 超 级 双 相 不 锈 钢/ AISI 中 52100钢球摩擦副在海水中微动行为的试验 发现,随着载荷增加,海水渗入微动接触界面,导 致微动磨损程度增大[69]。随着法向载荷的增加,在 海水环境中 Ti3AlC2/SiC 运动副的磨损率增加,而 摩擦因数的变化 不 大[16]。在 海 水 环 境 中,16-16-2 巴氏合金在低载荷下的摩擦因数随着载荷的增加而 降低,而在高载荷下摩擦因数保持稳定,这也是由于 在海 水 中 合 金 表 面 形 成 了 多 孔 的 碱 式 碳 酸 铅 Pb3(OH)2(CO3)2,在吸附海水后减少了运动副之 间的接触导致的。对于陶瓷材料,载荷通过影响润 滑膜的连续性而影响其摩擦学性能。研究[70]发现: 当法向 载 荷 小 于 临 界 值 时,在 海 水 润 滑 条 件 下 Si3N4/SiC运动副磨损表面形成的润滑膜起到了流 体润滑的作用,摩擦因数较小;当法向载荷大于临界 值时,由于受压润滑膜破碎不连续,摩擦因数随着法 向载荷的增加而增大。

一些聚合物可在较高的外加载荷下具有较好的 摩擦学性能。体积分数25%石墨填充 PTFE 复合 材料在海水中较高的载荷下具有较好的摩擦学性 能,是因为在海水中表面形成了润滑膜[25]。随着载 荷增加,以 PTFE为内衬的水润滑复合材料轴承的 摩擦因数逐渐减小至恒定值[71]。较高的载荷也会 破坏聚合物表面在海水中生成的润滑膜,导致聚合 物的摩擦学性能变差。对于 GLC涂层/PEEK 运动 副,在高滑动速度和低载荷条件下,由表面水膜承受 载荷,润滑机理以流体动力润滑为主,磨损程度较 小;随着滑动速度的降低或载荷的增加,所施加的载 荷由水膜和传递膜共同承受,润滑机理变为混合润 滑;在极高的外加载荷或较低的滑动速度下,水膜遭 到破 坏,并 形 成 固-固 接 触 模 式[72]。 钛 酸 钾 晶 须 (PTW)填充 PEEK 复合材料在低载荷下具有较好 的摩擦学性能,随着载荷的增加,其磨损机制由低载 荷下的轻微磨粒磨损转变为高载荷下的严重疲劳磨 损,可知载荷通过改变复合材料的磨损机理来改变 其磨损行为[73]。

3 深海摩擦学测试装备研究现状

为了模拟深海环境运动副工况,需要开发深海 摩擦学测试设备,用于评价服役于深海环境下的运 动副材料的摩擦学性能。国外对于深海摩擦学试验 机的研究开展比较早。日本横滨国立大学研制出水 压静压推力轴承的试验装置,通过油缸加载及更换 试样的方式,研究不锈钢/不锈钢和不锈钢/塑料运 动副的承载能力;该装置由静水压推力轴承、圆柱形 喷嘴、在试验轴承上施加同心载荷的液压缸和执行 旋转操作的电动机组成[74]。

中国科学院兰州化学物理研究所购置了一台模 拟深海环境的摩擦试验机,其最大模拟深度可达到 5000m,法向最大加载力为1000N,运动摩擦试样 最大转速为2000r·min-1,其加载方式分别为磁传 动加载、波纹管加载等,运动副接触方式为销-盘式 接触方式,该设备可精确控制模拟海水环境的特征 参 数,包 括 海 水 静 压 力、溶 氧 量、温 度、盐 度、pH 等[75]。中国海洋大学研制的高背压多功能海水液 压摩擦磨损试验台可模拟深海2000m 处液压元件 的关键运动副运行工况,可将3对关键运动副在同 一个试验台架上进行试验,同时实现对关键运动副 柱塞/缸体孔、斜盘/滑靴以及海水润滑条件下滑动 轴承的试验;在该设备中由高压动力源泵出高压水 (由溢流阀调定系统的安全压力25 MPa)进入高压 腔,高压腔压力由溢流阀调定(20 MPa),并有蓄能 器吸收压力的脉动;测试的主要参数包括摩擦力矩、 偏心率(即水膜厚度分布)、水膜压力、水膜温度以及 其它性能参数[76]。由武汉材料保护研究所研制的 深海摩擦学试验机,通过在上腔通入高压氮气的方 式对下腔中的水进行加压,可以模拟的最大水深为 1400m,采用电子秤杠杆式加载方式,运动副为销- 盘接触形 式,主 驱 动 轴 转 速 范 围 为 10~1200r· min-1,摩擦力矩测量范围为0~66N·m,试验环境 介质可以为海水、其他液体介质和各种气体,载荷范 围为0~4449N[77]。华中科技大学研发的深海超 高压环境摩擦试验装置可模拟8000m 深处的海水 环境,最大载荷可达到3000N,伺服电机最大转速 为1500r·min-1;使用该装置研究了含体积分数 30%碳纤维增强 PEEK 基复合材料和431不锈钢 组成的运动副在深海中的摩擦行为[33]。

4 结论与展望

海洋探索活动离不开海洋工程装备,因此对新型运动副材料的研究必不可少,而摩擦学性能的研 究正是海洋运动副材料研究中的关键一步。从海洋 摩擦材料、摩擦学性能的影响因素和深海摩擦学测 试装置3个方面,总结了目前海洋运动副材料摩擦 领域的研究现状。海洋环境复杂多变,导致面临的 摩擦学问题复杂多样,目前该领域仍有以下问题值 得进一步研究。(1)研发更多的新型材料以丰富深 海设备的材料种类。(2)海洋区域环境的不同会对 材料的摩擦学性能产生影响。不同的海洋环境的溶 氧量、盐度、温度等参数不同,如何还原复杂多变的 海洋环境,在接近真实状况的环境下进行模拟试验, 是下一步研究工作中需要攻克的难题。(3)材料在 海水中的吸水机理以及海水静水压力、滑动速度与 载荷等因素对摩擦学性能的影响机理仍需进一步探 究。(4)需要更加精密的摩擦学设备来满足深海试 验的要求。摩擦因数测定是深海摩擦学测试装备的 关键技术,如何精确地获取数据,完善测试装备,如 何将压力加载到极深海水的压力范围,是下一步科 研工作中需要探索和研究的内容。

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