三种固液复合润滑系统的真空边界润滑特性

时间：2024-07-28

徐增闯崔维鑫贺景坚郝丽春刘石神

1. 中国科学院上海技术物理研究所，上海，200083 2. 中国科学院大学,北京,100049 3.中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，北京，100083

0 引言

空间转动部件作为航天器在轨寿命的主要影响因素之一，其运行可靠性、长寿命等问题越来越受到关注[1-3]。与航天器自身结构不同，绝大多数空间转动部件内部均存在有相对运动的表面。为了保证转动部件满足航天器在轨运行寿命要求，需对转动部件进行长寿命润滑设计，这对需要长期工作的空间转动部件尤为重要[4-5]，合适的润滑设计对空间转动部件的运动特性，甚至对航天器任务的成败都有着密切的影响[6-7]。

采用纯固体润滑时，摩擦副的摩擦因数相对较大，转动部件工作寿命较短，而液体润滑的润滑形式主要受到液体润滑剂量、转动部件转速及载荷的影响。空间转动部件的转速一般较低，且其内部含有的液体润滑剂量较少，润滑状态多处于边界润滑[8-9]，摩擦副局部的点接触会导致温升较大，若温度高于液体润滑剂的闪点，将加速液体润滑剂的降解。空间转动部件在发射前会经历储存、地面试验和发射等过程，这就要求所使用的润滑剂需具有良好的环境适应性。近年来，某些固体润滑剂和液体润滑剂组成的复合润滑体系能够结合固体润滑剂和液体润滑剂各自的优势，明显提高润滑寿命，满足空间转动部件长寿命润滑使用需求[10-12]。固体润滑剂和液体润滑剂的种类较多，固液复合润滑体系并不是二者的任意组合。当固液体润滑剂复合时，因自身的物理、化学特性不同，会导致它们组成的固液复合润滑体系润滑特性差异较大，需要考虑二者的协同效应、相容性、浸润性及空间转动部件自身的实际工况。

目前，对以MoS2基固体润滑薄膜固液复合润滑在空间转动部件的应用已有相关研究[13]，而前期研究工作主要集中于摩擦学性能的评价上[14-15]，对固液复合润滑体系能否产生协同效应的润滑寿命量化、微观机理及如何选择适当的液体润滑剂匹配等问题尚缺乏数据支撑。本文的真空往复滑动摩擦试验在高温摩擦磨损试验机上进行，简称SRV试验，真空螺旋轨道摩擦试验简称SOT试验。笔者在SRV、SOT试验中用的平盘试样上射频溅射制备MoS2薄膜，分别选择815Z、RP4751和RIPP4758三种已在空间转动部件中成功应用的空间液体润滑剂组成固液复合润滑体系，研究三种固液复合润滑体系在真空条件下的边界润滑特性，重点对比三种固液复合润滑体系摩擦学匹配性，并进一步深入研究其润滑机理，以期为高可靠、长寿命空间转动部件润滑设计提供基础数据参考。

1 试验

1.1 试验材料

分别采用两种规格440C不锈钢平盘试样用于固液复合润滑体系的真空SOT和SRV试验，两种平盘试样尺寸分别为φ50 mm×8 mm(用于SOT试验)和φ24 mm×8 mm(用于SRV试验)，两种试验用的钢球直径均为12.7 mm。平盘试样表面的MoS2固体润滑薄膜均是通过射频溅射法制备，薄膜厚度为1±0.1 μm。分别选用RP4751合成碳氢液体润滑剂、RIPP4758硅碳氢液体润滑剂和815Z液体润滑剂作为固液复合润滑体系中的液体润滑剂，三种空间液体润滑剂主要理化指标如表1所示。其中，RP4751合成碳氢液体润滑剂属于聚α-烯烃(PAO)系列液体润滑剂，是由线性α烯烃加6个或多个碳原子聚合而成的直链饱和碳氢化合物，其边界润滑性能优良、饱和蒸气压较低且热氧化稳定性好；RIPP4758硅碳氢液体润滑剂属于SiHC系列液体润滑剂，是由硅、碳和氢组成的单分子物质，具有独特的摩擦特性，RIPP4758具有优异的热和流变学性能、较宽的温度使用范围和突出的热稳定性。

表1 三种液体润滑剂主要理化性能指标要求

1.2 试验方法

采用真空SOT、SRV试验分别考察纯MoS2固体润滑、MoS2/815Z、MoS2/RP4751和MoS2/RIPP4758三种不同固液复合润滑体系的润滑寿命和往复滑动摩擦因数。

(1)真空SOT试验用于测试润滑剂在接近轴承真实运转工况下的边界润滑性能。图1是SOT试验的典型组成示意图，其主要工作原理为：将50 μg初始油量的液体润滑剂涂覆在钢球表面后，通过固定板施加载荷，钢球在固定板和旋转板之间滚动、枢转。因轨道是螺旋形的，故需通过接触引导板使球每公转一圈返回其原始轨道半径，当球接触导向板时，通过安装在导板上的压电式力传感器测出摩擦力。

图1 螺旋轨道摩擦试验机示意图

(2)真空SRV摩擦试验机用于测定球-盘接触往复振动摩擦，往复频率为50 Hz，行程为1 mm。

真空SOT试验中，温度为室温(20±3 ℃)，真空度小于1×10-3Pa。每次SOT试验的液体润滑剂用量均为50 μg，详细试验条件如表2所示。利用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散谱仪(EDS)观察磨斑表面显微形貌和分析元素构成,进一步分析润滑剂的润滑机理。

表2 三种固液复合润滑体系边界润滑性能测试条件

2 结果与讨论

2.1 往复滑动摩擦因数

MoS2/815Z、MoS2/RP4751和MoS2/RIPP4758三种固液复合润滑体系的真空SRV试验结果如图 2所示，可以看出，三种固液复合润滑系统的摩擦因数在试验运行开始一段时间后均逐渐保持平稳。试验结束时，MoS2/815Z复合润滑摩擦副的往复滑动摩擦因数为0.45， MoS2/RP4751复合润滑摩擦副的往复滑动摩擦因数为0.16，MoS2/RIPP4758复合润滑摩擦副的往复滑动摩擦因数为0.20。815Z、RP4751和RIPP4758三种液体润滑剂的往复滑动摩擦因数分别为0.43、0.16和0.18，从中可以看出三种复合润滑系统的往复滑动摩擦因数与单独采用液体润滑时的往复滑动摩擦因数相近，并无明显变化。

图2 三种固液复合润滑系统滑动摩擦因数-时间曲线

2.2 MoS2/815Z复合润滑系统润滑寿命

通过真空SOT试验分别考察MoS2薄膜、MoS2/815Z固液复合润滑系统在真空中的摩擦学性能，二者的润滑寿命曲线如图3所示，平均润滑寿命如图4所示。从图3和图4中可见，相比较纯MoS2固体润滑、815Z液体润滑，MoS2/815Z复合润滑系统表现出延长润滑寿命的作用，其中815Z液体润滑剂的平均润滑寿命为200 圈/μg、MoS2为1610 圈/μg，而MoS2/815Z的平均润滑寿命则达到了2327 圈/μg，大于固体润滑和液体润滑润滑寿命之和。MoS2固体润滑膜与815Z液体润滑剂共同作用，表现出了良好的协同效应, 其润滑寿命相比较纯MoS2固体润滑寿命提高了44%。

图3 不同润滑剂下(MoS2/815Z、MoS2)钢球摩擦因数-旋转圈数曲线

图4 不同润滑剂(815Z,MoS2、MoS2/815Z)下平均润滑寿命对比

纯MoS2固体润滑、815Z液体润滑和MoS2/815Z固液复合润滑三种不同润滑状态下的摩擦副起始摩擦因数如表3所示，其中MoS2/815Z固液复合润滑系统在真空SOT试验中的起始摩擦因数为0.060，大于纯MoS2固体润滑的摩擦因数0.018，这是因为在固液复合润滑状态下，摩擦副在摩擦过程中需要克服液体润滑剂的内聚力，因此其摩擦因数要高于纯MoS2固体润滑状态下摩擦副的摩擦因数。

表3 不同润滑状态下摩擦副起始摩擦因数

对于MoS2固体润滑，对偶转移膜对其润滑性能具有至关重要的作用。图5给出了SOT试验中对偶摩擦副平盘表面的MoS2固体润滑磨损轨道区域和MoS2/815Z复合润滑体系磨损轨道区域的SEM图，图6分别给出了MoS2固体润滑未磨损区、磨损轨道区和MoS2/815Z复合润滑体系磨损轨道区域形貌及其EDS分析谱图。由图6可以看出，MoS2固体润滑的沟道表面含有10.31%的Mo元素，MoS2/815Z复合润滑体系轨道磨损区域含有8.21%的Mo元素，表明MoS2/815Z复合润滑体系在摩擦过程中形成了有效的对偶转移膜。

(a) 纯MoS2薄膜对偶平盘表面SEM图

(a) MoS2固体润滑未磨损区对偶平盘表面及EDS图

从上述结果可以看出，MoS2/815Z固液复合润滑系统产生了协同润滑效应，在真空环境下表现出了良好的边界润滑性能。在真空SOT试验中，MoS2磨屑与815Z液体润滑剂混合在一起组成了混合润滑层。随着钢球转动圈数的增加，MoS2磨屑进入815Z液体润滑剂中并随着液体润滑剂输送至摩擦接触区域并及时填充摩擦副表面的损伤和微凹坑, 从而对摩擦副表面起到一定的修复作用, 在摩擦副表面形成稳定的边界润滑膜, 确保摩擦副润滑状态的稳定。与此同时，在摩擦副表面形成的MoS2转移膜可有效降低摩擦副基材间直接接触的概率, 进而提高耐磨性。

2.3 MoS2/RP4751复合润滑系统润滑寿命

由图7可见，相比较纯MoS2固体润滑、RP4751液体润滑，MoS2/RP4751的复合润滑系统未能表现出延长润滑寿命的作用。图8所示为不同润滑剂的润滑寿命对比，可以看出，RP4751液体润滑剂的润滑寿命为3078 圈/μg、而MoS2/ RP4751复合润滑体系的润滑寿命为1160 圈/μg。

图7 不同润滑剂(MoS2/RP4751、MoS2)下钢球摩擦因数-旋转圈数曲线

图8 不同润滑剂(MoS2、RP4571、MoS2/RP4751)的润滑寿命对比

由表3可以看出，MoS2/ RP4751固液复合润滑系统在真空SOT试验中的稳态摩擦因数为0.020，与纯MoS2固体润滑的摩擦因数0.018相近。由此可见，MoS2固体润滑膜对RP4751液体润滑剂的吸附能力未能保证MoS2与RP4751液体润滑剂产生协同效应。

通过对MoS2/RP4751复合润滑系统摩擦轨道表面状态进行EDS分析可知，其表面成分如图9所示。摩擦表面有微量转移膜，转移膜中Mo含量较少，为6.06%。MoS2/RP4751复合润滑系统摩擦轨道宽度为884 μm，略大于纯MoS2润滑摩擦轨道宽度值。由此可见，MoS2/RP4751复合润滑系统在摩擦过程中，其摩擦副表面未能形成有效的转移膜，导致复合润滑系统比单独MoS2固体润滑、RP4751液体润滑的摩擦学性能下降。

图9 MoS2/RP4751对偶平盘表面的EDS图

2.4 MoS2/RIPP4758复合润滑系统

MoS2/RIPP4758固液复合润滑系统摩擦副的摩擦因数曲线、润滑剂润滑寿命结果分别如10、图11所示。从图中可见，相比较单独的MoS2固体润滑、RIPP4758液体润滑，MoS2/RIPP4758的复合润滑系统表现出延长润滑寿命的作用，RIPP4758液体润滑剂的平均润滑寿命为1936圈/μg，而MoS2/RIPP4758复合润滑系统的平均润滑寿命则达到了2503圈/μg。

图10 不同润滑剂(MoS2、MoS2/RIPP4758)下摩擦因数-旋转圈数曲线

图11 不同润滑剂(MoS2、RIPP4758、MoS2/RIPP4758)下平均润滑寿命对比

由表3可以看出，MoS2/RIPP4758固液复合润滑系统在真空SOT试验中的稳态摩擦因数为0.020，与MoS2固体润滑的摩擦因数0.018相近。MoS2固体润滑膜与RIPP4758液体润滑剂表现出良好的协同效应, 其润滑寿命比单独RIPP4758液体润滑寿命提高了29.3%。

对MoS2/RIPP4758复合润滑系统摩擦轨道表面状态进行EDS分析，如图12所示。EDS检测结果显示，摩擦表面仍然留有少量转移膜，转移膜中Mo含量较高(12.46%)，S元素含量较低(0.65%)。复合润滑系统摩擦轨道宽度为833 μm，与纯MoS2润滑摩擦轨道宽度值相近。由此可见，摩擦过程中摩擦副表面形成有效的MoS2转移膜对复合润滑系统润滑性能提高有显著影响。

图12 MoS2/RIPP4758对偶平盘表面典型的EDS图