三種固液復合潤滑系統的真空邊界潤滑特性

徐增闖 崔維鑫 賀景堅 郝麗春 劉石神

1. 中國科學院上海技術物理研究所，上海，200083 2. 中國科學院大學,北京,100049 3.中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院，北京，100083

0 引言

空間轉動部件作為航天器在軌壽命的主要影響因素之一，其運行可靠性、長壽命等問題越來越受到關注[1-3]。與航天器自身結構不同，絕大多數空間轉動部件內部均存在有相對運動的表面。為了保證轉動部件滿足航天器在軌運行壽命要求，需對轉動部件進行長壽命潤滑設計，這對需要長期工作的空間轉動部件尤為重要[4-5]，合適的潤滑設計對空間轉動部件的運動特性，甚至對航天器任務的成敗都有著密切的影響[6-7]。

采用純固體潤滑時，摩擦副的摩擦因數相對較大，轉動部件工作壽命較短，而液體潤滑的潤滑形式主要受到液體潤滑劑量、轉動部件轉速及載荷的影響。空間轉動部件的轉速一般較低，且其內部含有的液體潤滑劑量較少，潤滑狀態多處于邊界潤滑[8-9]，摩擦副局部的點接觸會導致溫升較大，若溫度高于液體潤滑劑的閃點，將加速液體潤滑劑的降解。空間轉動部件在發射前會經歷儲存、地面試驗和發射等過程，這就要求所使用的潤滑劑需具有良好的環境適應性。近年來，某些固體潤滑劑和液體潤滑劑組成的復合潤滑體系能夠結合固體潤滑劑和液體潤滑劑各自的優勢，明顯提高潤滑壽命，滿足空間轉動部件長壽命潤滑使用需求[10-12]。固體潤滑劑和液體潤滑劑的種類較多，固液復合潤滑體系并不是二者的任意組合。當固液體潤滑劑復合時，因自身的物理、化學特性不同，會導致它們組成的固液復合潤滑體系潤滑特性差異較大，需要考慮二者的協同效應、相容性、浸潤性及空間轉動部件自身的實際工況。

目前，對以MoS2基固體潤滑薄膜固液復合潤滑在空間轉動部件的應用已有相關研究[13]，而前期研究工作主要集中于摩擦學性能的評價上[14-15]，對固液復合潤滑體系能否產生協同效應的潤滑壽命量化、微觀機理及如何選擇適當的液體潤滑劑匹配等問題尚缺乏數據支撐。本文的真空往復滑動摩擦試驗在高溫摩擦磨損試驗機上進行，簡稱SRV試驗，真空螺旋軌道摩擦試驗簡稱SOT試驗。筆者在SRV、SOT試驗中用的平盤試樣上射頻濺射制備MoS2薄膜，分別選擇815Z、RP4751和RIPP4758三種已在空間轉動部件中成功應用的空間液體潤滑劑組成固液復合潤滑體系，研究三種固液復合潤滑體系在真空條件下的邊界潤滑特性，重點對比三種固液復合潤滑體系摩擦學匹配性，并進一步深入研究其潤滑機理，以期為高可靠、長壽命空間轉動部件潤滑設計提供基礎數據參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

分別采用兩種規格440C不銹鋼平盤試樣用于固液復合潤滑體系的真空SOT和SRV試驗，兩種平盤試樣尺寸分別為φ50 mm×8 mm(用于SOT試驗)和φ24 mm×8 mm(用于SRV試驗)，兩種試驗用的鋼球直徑均為12.7 mm。平盤試樣表面的MoS2固體潤滑薄膜均是通過射頻濺射法制備，薄膜厚度為1±0.1 μm。分別選用RP4751合成碳氫液體潤滑劑、RIPP4758硅碳氫液體潤滑劑和815Z液體潤滑劑作為固液復合潤滑體系中的液體潤滑劑，三種空間液體潤滑劑主要理化指標如表1所示。其中，RP4751合成碳氫液體潤滑劑屬于聚α-烯烴(PAO)系列液體潤滑劑，是由線性α烯烴加6個或多個碳原子聚合而成的直鏈飽和碳氫化合物，其邊界潤滑性能優良、飽和蒸氣壓較低且熱氧化穩定性好；RIPP4758硅碳氫液體潤滑劑屬于SiHC系列液體潤滑劑，是由硅、碳和氫組成的單分子物質，具有獨特的摩擦特性，RIPP4758具有優異的熱和流變學性能、較寬的溫度使用范圍和突出的熱穩定性。

表1 三種液體潤滑劑主要理化性能指標要求

1.2 試驗方法

采用真空SOT、SRV試驗分別考察純MoS2固體潤滑、MoS2/815Z、MoS2/RP4751和MoS2/RIPP4758三種不同固液復合潤滑體系的潤滑壽命和往復滑動摩擦因數。

(1)真空SOT試驗用于測試潤滑劑在接近軸承真實運轉工況下的邊界潤滑性能。圖1是SOT試驗的典型組成示意圖，其主要工作原理為：將50 μg初始油量的液體潤滑劑涂覆在鋼球表面后，通過固定板施加載荷，鋼球在固定板和旋轉板之間滾動、樞轉。因軌道是螺旋形的，故需通過接觸引導板使球每公轉一圈返回其原始軌道半徑，當球接觸導向板時，通過安裝在導板上的壓電式力傳感器測出摩擦力。

圖1 螺旋軌道摩擦試驗機示意圖

(2)真空SRV摩擦試驗機用于測定球-盤接觸往復振動摩擦，往復頻率為50 Hz，行程為1 mm。

真空SOT試驗中，溫度為室溫(20±3 ℃)，真空度小于1×10-3Pa。每次SOT試驗的液體潤滑劑用量均為50 μg，詳細試驗條件如表2所示。利用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能量色散譜儀(EDS)觀察磨斑表面顯微形貌和分析元素構成,進一步分析潤滑劑的潤滑機理。

表2 三種固液復合潤滑體系邊界潤滑性能測試條件

2 結果與討論

2.1 往復滑動摩擦因數

MoS2/815Z、MoS2/RP4751和MoS2/RIPP4758三種固液復合潤滑體系的真空SRV試驗結果如圖 2所示，可以看出，三種固液復合潤滑系統的摩擦因數在試驗運行開始一段時間后均逐漸保持平穩。試驗結束時，MoS2/815Z復合潤滑摩擦副的往復滑動摩擦因數為0.45， MoS2/RP4751復合潤滑摩擦副的往復滑動摩擦因數為0.16，MoS2/RIPP4758復合潤滑摩擦副的往復滑動摩擦因數為0.20。815Z、RP4751和RIPP4758三種液體潤滑劑的往復滑動摩擦因數分別為0.43、0.16和0.18，從中可以看出三種復合潤滑系統的往復滑動摩擦因數與單獨采用液體潤滑時的往復滑動摩擦因數相近，并無明顯變化。

圖2 三種固液復合潤滑系統滑動摩擦因數-時間曲線

2.2 MoS2/815Z復合潤滑系統潤滑壽命

通過真空SOT試驗分別考察MoS2薄膜、MoS2/815Z固液復合潤滑系統在真空中的摩擦學性能，二者的潤滑壽命曲線如圖3所示，平均潤滑壽命如圖4所示。從圖3和圖4中可見，相比較純MoS2固體潤滑、815Z液體潤滑，MoS2/815Z復合潤滑系統表現出延長潤滑壽命的作用，其中815Z液體潤滑劑的平均潤滑壽命為200 圈/μg、MoS2為1610 圈/μg，而MoS2/815Z的平均潤滑壽命則達到了2327 圈/μg，大于固體潤滑和液體潤滑潤滑壽命之和。MoS2固體潤滑膜與815Z液體潤滑劑共同作用，表現出了良好的協同效應, 其潤滑壽命相比較純MoS2固體潤滑壽命提高了44%。

圖3 不同潤滑劑下(MoS2/815Z、MoS2)鋼球摩擦因數-旋轉圈數曲線

圖4 不同潤滑劑(815Z,MoS2、MoS2/815Z)下平均潤滑壽命對比

純MoS2固體潤滑、815Z液體潤滑和MoS2/815Z固液復合潤滑三種不同潤滑狀態下的摩擦副起始摩擦因數如表3所示，其中MoS2/815Z固液復合潤滑系統在真空SOT試驗中的起始摩擦因數為0.060，大于純MoS2固體潤滑的摩擦因數0.018，這是因為在固液復合潤滑狀態下，摩擦副在摩擦過程中需要克服液體潤滑劑的內聚力，因此其摩擦因數要高于純MoS2固體潤滑狀態下摩擦副的摩擦因數。

表3 不同潤滑狀態下摩擦副起始摩擦因數

對于MoS2固體潤滑，對偶轉移膜對其潤滑性能具有至關重要的作用。圖5給出了SOT試驗中對偶摩擦副平盤表面的MoS2固體潤滑磨損軌道區域和MoS2/815Z復合潤滑體系磨損軌道區域的SEM圖，圖6分別給出了MoS2固體潤滑未磨損區、磨損軌道區和MoS2/815Z復合潤滑體系磨損軌道區域形貌及其EDS分析譜圖。由圖6可以看出，MoS2固體潤滑的溝道表面含有10.31%的Mo元素，MoS2/815Z復合潤滑體系軌道磨損區域含有8.21%的Mo元素，表明MoS2/815Z復合潤滑體系在摩擦過程中形成了有效的對偶轉移膜。

(a) 純MoS2薄膜對偶平盤表面SEM圖

(a) MoS2固體潤滑未磨損區對偶平盤表面及EDS圖

從上述結果可以看出，MoS2/815Z固液復合潤滑系統產生了協同潤滑效應，在真空環境下表現出了良好的邊界潤滑性能。在真空SOT試驗中，MoS2磨屑與815Z液體潤滑劑混合在一起組成了混合潤滑層。隨著鋼球轉動圈數的增加，MoS2磨屑進入815Z液體潤滑劑中并隨著液體潤滑劑輸送至摩擦接觸區域并及時填充摩擦副表面的損傷和微凹坑, 從而對摩擦副表面起到一定的修復作用, 在摩擦副表面形成穩定的邊界潤滑膜, 確保摩擦副潤滑狀態的穩定。與此同時，在摩擦副表面形成的MoS2轉移膜可有效降低摩擦副基材間直接接觸的概率, 進而提高耐磨性。

2.3 MoS2/RP4751復合潤滑系統潤滑壽命

由圖7可見，相比較純MoS2固體潤滑、RP4751液體潤滑，MoS2/RP4751的復合潤滑系統未能表現出延長潤滑壽命的作用。圖8所示為不同潤滑劑的潤滑壽命對比，可以看出，RP4751液體潤滑劑的潤滑壽命為3078 圈/μg、而MoS2/ RP4751復合潤滑體系的潤滑壽命為1160 圈/μg。

圖7 不同潤滑劑(MoS2/RP4751、MoS2)下鋼球摩擦因數-旋轉圈數曲線

圖8 不同潤滑劑(MoS2、RP4571、MoS2/RP4751)的潤滑壽命對比

由表3可以看出，MoS2/ RP4751固液復合潤滑系統在真空SOT試驗中的穩態摩擦因數為0.020，與純MoS2固體潤滑的摩擦因數0.018相近。由此可見，MoS2固體潤滑膜對RP4751液體潤滑劑的吸附能力未能保證MoS2與RP4751液體潤滑劑產生協同效應。

通過對MoS2/RP4751復合潤滑系統摩擦軌道表面狀態進行EDS分析可知，其表面成分如圖9所示。摩擦表面有微量轉移膜，轉移膜中Mo含量較少，為6.06%。MoS2/RP4751復合潤滑系統摩擦軌道寬度為884 μm，略大于純MoS2潤滑摩擦軌道寬度值。由此可見，MoS2/RP4751復合潤滑系統在摩擦過程中，其摩擦副表面未能形成有效的轉移膜，導致復合潤滑系統比單獨MoS2固體潤滑、RP4751液體潤滑的摩擦學性能下降。

圖9 MoS2/RP4751對偶平盤表面的EDS圖

2.4 MoS2/RIPP4758復合潤滑系統

MoS2/RIPP4758固液復合潤滑系統摩擦副的摩擦因數曲線、潤滑劑潤滑壽命結果分別如10、圖11所示。從圖中可見，相比較單獨的MoS2固體潤滑、RIPP4758液體潤滑，MoS2/RIPP4758的復合潤滑系統表現出延長潤滑壽命的作用，RIPP4758液體潤滑劑的平均潤滑壽命為1936圈/μg，而MoS2/RIPP4758復合潤滑系統的平均潤滑壽命則達到了2503圈/μg。

圖10 不同潤滑劑(MoS2、MoS2/RIPP4758)下摩擦因數-旋轉圈數曲線

圖11 不同潤滑劑(MoS2、RIPP4758、MoS2/RIPP4758)下平均潤滑壽命對比

由表3可以看出，MoS2/RIPP4758固液復合潤滑系統在真空SOT試驗中的穩態摩擦因數為0.020，與MoS2固體潤滑的摩擦因數0.018相近。MoS2固體潤滑膜與RIPP4758液體潤滑劑表現出良好的協同效應, 其潤滑壽命比單獨RIPP4758液體潤滑壽命提高了29.3%。

對MoS2/RIPP4758復合潤滑系統摩擦軌道表面狀態進行EDS分析，如圖12所示。EDS檢測結果顯示，摩擦表面仍然留有少量轉移膜，轉移膜中Mo含量較高(12.46%)，S元素含量較低(0.65%)。復合潤滑系統摩擦軌道寬度為833 μm，與純MoS2潤滑摩擦軌道寬度值相近。由此可見，摩擦過程中摩擦副表面形成有效的MoS2轉移膜對復合潤滑系統潤滑性能提高有顯著影響。

圖12 MoS2/RIPP4758對偶平盤表面典型的EDS圖

3 結論

為研究不同固液復合潤滑系統在真空邊界潤滑工況下的潤滑特性，本文對MoS2/815Z、MoS2/RP4751和MoS2/RIPP4758三種固液復合潤滑系統進行了真空SRV、SOT 試驗，試驗結果表明：

(1)MoS2/815Z固液復合潤滑系統具有良好的真空摩擦學性能，其潤滑壽命相比較純MoS2固體潤滑壽命提高了44%。

(2)MoS2/RIPP4758固液復合潤滑系統在真空環境下顯示出協同作用，在不影響摩擦副摩擦因數的情況下，其潤滑壽命長于單獨固體、液體潤滑劑的潤滑壽命。

(3)MoS2/RP4751復合潤滑系統未表現出協同效應，其潤滑性能相比較單獨液體潤滑劑的潤滑性能較差。