中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

针对日益复杂苛刻的使役环境对无油无铅化摩擦副材料的使用要求，开展了热喷涂铝青铜涂层的制备与性能的研究。对铝青铜涂层的喷涂工艺、微观组织、摩擦学性能、失效机理之间的内在联系做了系统深入的分析，在此基础上进一步研究了涂层的环境工况适应性，并采用大气等离子喷涂制备了多种结构组织和摩擦学性能优异的铝青铜复合涂层，有望满足高性能无油无铅自润滑材料的应用需求。主要研究内容和结果如下：

（1）采用超音速火焰喷涂和大气等离子喷涂分别制备了铝青铜涂层，对涂层微动摩擦学行为的研究表明，后者制备的涂层相组成中具有更高含量的α相，优异的塑性抑制了微动摩擦过程中的疲劳裂纹和断裂，因而具有更小的摩擦系数和磨损体积。进而深入研究了大气等离子喷涂铝青铜涂层的微动磨损机理，结果表明当微动振幅超过涂层弹塑性变形容纳能力后，摩擦系数和磨损率显著增大；而通过提高喷涂过程中粉末颗粒熔融程度所制备的单相铝青铜涂层有着更好的微动摩擦学性能。在此基础上，选择影响粉末颗粒融化程度的主要参数，优化了大气等离子喷涂铝青铜涂层的制备工艺。

（2）考察了大气等离子喷涂铝青铜涂层在海水环境中的磨蚀行为。研究发现，铝青铜涂层在干摩擦下具有较低的摩擦系数(0.16)，但涂层的磨粒磨损和扁平粒子剥落较为严重，因此磨损率较大(10^-4 mm³•N^-1•m^-1量级)。而在海水中铝青铜涂层及配副具有光滑契合的磨合表面，加之界面间摩擦化学产物形成的疏松磨屑层，因而具有极低的摩擦系数(0.06)。更重要的是，磨粒磨损和扁平粒子剥落的显著缓解使得铝青铜涂层在海水中的磨损率极低(10^-7 mm³•N^-1•m^-1量级)，只有传统耐腐材料304不锈钢海水中磨损率的1/367。

（3）采用大气等离子喷涂制备了铝青铜/聚苯酯涂层，通过滑动摩擦实验考察了涂层的可磨耗性能。研究表明涂层组织中存在较多孔隙，且硬度较低，易被刮削而对配副损伤轻微，有望作为可磨耗封严涂层应用。但涂层在高温摩擦过程中存在组织致密化的趋势，容易造成配副钛合金的磨损加重；对比试验表明，使用具有硬质γ’’相的铝青铜粉末制备的相应涂层在高温下对配副钛合金损伤更严重，应在喷涂原料制备过程中避免硬质相的生成。

（4）通过大气等离子喷涂分别制备了纳米氧化铝(n-Al₂O₃)、钼、镍包石墨、聚对羟苯甲酰(POB)复合的铝青铜涂层，系统考察了硬质增强相和润滑相的存在对铝青铜涂层结构组织和摩擦学性能的影响。研究表明，喷雾造粒制备的n-Al₂O₃喷涂粉末，相比传统烧结破碎的氧化铝，在复合涂层中分布更均匀且结晶性更好，对铝青铜涂层耐磨性提高更显著。铝青铜/钼复合涂层中，与铝青铜基质结合良好并以大颗粒存在的钼在摩擦过程中限制了疲劳裂纹的扩展，从而减缓了扁平粒子剥落；涂层磨损率在10^-5 mm³•N^-1•m^-1量级，耐磨性为纯铝青铜涂层的四倍以上。铝青铜/镍-石墨和铝青铜/POB复合涂层中，润滑相石墨或POB的加入可以改变铝青铜低强度剪切的减摩机制，极大地缓解铝青铜基质的犁削和剥落，因而磨损率只有纯铝青铜涂层的数十分之一，且对摩擦配副材料的损伤更为轻微。