將電化學工作站與摩擦磨損功能集于一體，發(fā)展原位和動態(tài)腐蝕參數(shù)的監(jiān)測技術，建立檢測標準，為磨蝕現(xiàn)象的量化及理論研究的深入提供實驗基礎。為海水環(huán)境中減摩耐磨的高性能涂層服役體系的開發(fā)提供實驗基礎。

    文/烏學東

    研究背景

    先進的海洋工程裝備，既是加強海洋國防力量的重要保障，也是發(fā)展海洋藍色經(jīng)濟的必要支撐，是當下國家核心競爭力最主要的體現(xiàn)之一。然而，由于海洋環(huán)境的特殊性，海洋工程裝備關鍵零部件的損傷與陸上裝備相比要嚴重的多，其服役壽命與陸上裝備相比將會有大幅度縮減。海洋工程裝備中的一些重要的運動系統(tǒng)均是直接暴露在海水介質(zhì)中運行的，如深潛器的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、天然氣井口的自給控制系統(tǒng)、潛艇艉軸及其滑動支撐軸承、海水液壓傳動系統(tǒng)、水下作業(yè)機器手、深海勘探和開采裝備等，都涉及摩擦磨損與腐蝕的交互作用問題。人們對海洋環(huán)境下動態(tài)磨損與腐蝕的交互作用所導致的損傷機理的認識尚不到位，加之洋流流速或航速的提高等動態(tài)環(huán)境因素變化，目前的研究現(xiàn)狀無法指導深海抗磨蝕材料的設計和制造的理論。同時，海水介質(zhì)中無法使用油脂潤滑劑，而低粘度海水介質(zhì)又難以提供低速重載情況下的有效潤滑，海水環(huán)境摩擦副磨蝕現(xiàn)象所帶來的摩擦功耗和材料損傷非常嚴重，由此伴生的振動與噪音更是影響海洋裝備系統(tǒng)機動和隱身性能的核心問題。海水環(huán)境關鍵機械摩擦副零部件磨蝕機理研究及表界面抗磨減摩材料體系已成為制約現(xiàn)代化海洋工程裝備高效、穩(wěn)定和長壽命服役的瓶頸。

圖1 海洋裝備發(fā)生磨蝕后的照片

    研究現(xiàn)狀及趨勢

    對于工業(yè)零部件的腐蝕問題，傳統(tǒng)技術多采用耐蝕鋼、工程陶瓷以及聚合物等耐蝕材料來應對。對于工業(yè)零部件的磨損問題，傳統(tǒng)技術多采用熱處理、合金化以及表面改性等強化措施來解決。然而， 不銹鋼材料難以產(chǎn)生熱處理硬化，工程陶瓷加工成型性能差，聚合物先天硬度強度低，單一選材和處理方法在海水環(huán)境摩擦 副零部件的延壽與增效技術領域受到極大限制。此時，研究開發(fā)適用于海水環(huán)境的具有較強耐腐蝕磨損特性的功能涂層，是控制海水環(huán)境關鍵摩擦副零部件腐蝕磨損關聯(lián)性損傷現(xiàn)象以提高海洋工程裝備穩(wěn)定性和服役壽命最為可行的技術途徑。

    涂層材料在海水環(huán)境中腐蝕磨損行為影響因素的復雜性給基礎研究工作帶來了極大難度，是現(xiàn)代摩擦學基礎研究領域的一大挑戰(zhàn)。難度之一是材料體系的復雜性。對于整體材料，不同元素組成和物相結構決定了其腐蝕磨損界面不同的物理化學性質(zhì)，從而帶來鈍化層、第三體以及轉(zhuǎn)移膜等物質(zhì)的形成、轉(zhuǎn)化與作用，并引起材料腐蝕磨損關聯(lián)性損傷行為的不同表現(xiàn)。與整體材料相比，涂層材料除了自身元素組成和物相結構的影響因素外，其摩擦界面物理化學變化還將受到缺陷水平、膜基結合以及基體材料性質(zhì)等方面的影響，使得影響其腐蝕磨損關聯(lián)損傷行為的自身因素異常復雜。難度之二在于海水組分的復雜性。海水介質(zhì)與簡單的酸、堿、鹽溶液相比組分異常復雜，陽離子有H+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Sr2+等，陰離子有Cl-、SO42-、Br-、HCO3-、CO32-、F-等，不同組分或離子對材料腐蝕磨損界面的物理化學變化（如鈍化膜的生成、破壞與再生等）將會產(chǎn)生不同的作用效果，進而對腐蝕磨損行為產(chǎn)生不同的影響。Frutos等人將腐蝕磨損總體積損失Vt分為機械磨損分量Vm和電化學腐蝕分量Ve，研究了304不銹鋼表面CrN涂層在平衡電解質(zhì)溶液中的腐蝕磨損行為。所采用的模型為：

    Vt=Vm+Ve

    式中Vt由腐蝕磨損后掃描磨痕輪廓獲得，Vm由法拉第定律來確定，Ve即為總體積損失與電化學作用體積損失的差值。研究結果認為CrN涂層的腐蝕磨損體積損失的主要貢獻來源于機械作用，而腐蝕磨損損傷機制主要受表面氧化膜的形成與破壞控制。

    磨蝕的特點

    由于材料受海水的腐蝕作用并非簡單的靜態(tài)腐蝕問題，除了壓力、溫度、介質(zhì)性質(zhì)等靜態(tài)環(huán)境因素外，摩擦運動對材料的腐蝕具有不可忽視的加速作用。而且，腐蝕的增大反過來又導致材料磨損的增大，形成了腐蝕介質(zhì)特有的磨損與腐蝕交互作用現(xiàn)象，形成了力學載荷和化學腐蝕環(huán)境共同作用下的海洋材料摩擦磨損現(xiàn)象。這也是現(xiàn)有海洋裝備運動部件所面臨的一個重大的科學和技術難題之一。腐蝕與磨損的交互作用理論在1949年由Zelder首次提出，腐蝕磨損產(chǎn)生的材料總流失量遠大于純腐蝕（靜態(tài)腐蝕）與純磨損（機械磨損）之和，腐蝕與磨損的交互作用如圖2 所示。

圖2 腐蝕與磨損交互作用圖解

    腐蝕與磨損的交互作用計算關系如下所示：

    式中，W-磨損造成的材料的總流失量，W?corr-磨損條件下的腐蝕分量， W?wear-磨損條件下的磨損分量，Wcorr-純腐蝕失重（靜態(tài)腐蝕），ΔWc-磨損對腐蝕的加速（腐蝕增量），Wwear-純磨損失重， ΔWw-腐蝕對磨損的加速（磨損增量）。

    W= Wcorr+ Wwear+ΔW

    ΔW=ΔWc+ΔWw

    ΔW-交互作用引起材料的失重。

    研究方法

    將電化學工作站與摩擦磨損功能集于一體，發(fā)展原位和動態(tài)腐蝕參數(shù)的監(jiān)測技術，建立檢測標準，為磨蝕現(xiàn)象的量化及理論研究的深入提供實驗基礎。針對海水環(huán)境中長程磨損工況下的力學與化學交互作用機理， 采用往復摩擦接觸方式，發(fā)展摩擦磨損化學、力學、物理等性能基本參量的實驗表征方法，包括：介質(zhì)化學離子成分、pH值、溫度、摩擦副相對運動速度、載荷等；針對特定海水電化學環(huán)境下，發(fā)展載荷、速度、振幅等力學因素與陰極電流密度等基本參量在微動接觸條件下對材料磨蝕行為影響的研究，為海水環(huán)境材料磨蝕過程中的摩擦化學機理研究奠定基礎。在海水環(huán)境抗磨減摩涂層材料設計方面，根據(jù)不同因素對材料海水磨蝕行為影響及摩擦化學機理，借助噴涂、PVD/CVD、復合材料涂層等技術，建立對涂層化學組成、微觀多相結構、微觀組織致密性以及表面組織化的主動設計和精確調(diào)控方法，為海水環(huán)境中減摩耐磨的高性能涂層服役體系的開發(fā)提供實驗基礎。

    綜上所述，采用實驗室模擬和現(xiàn)場試驗相結合手段，研究海洋環(huán)境腐蝕和流體沖刷耦合作用下，海洋工程材料的磨蝕、密封行為。將已有海洋環(huán)境摩擦磨損試驗機擴展為可完成常壓和高壓模擬海洋環(huán)境的摩擦試驗裝置，同時實現(xiàn)動態(tài)摩擦與電化學腐蝕參數(shù)的原位測量。在此基礎上， 通過改變摩擦副材料、運動條件、壓力條件等關鍵因素，比較磨損與腐蝕的交互作用的數(shù)據(jù)變化量，研究多種海洋裝備金屬和非金屬摩擦副材料的在模擬復雜海洋環(huán)境下的磨蝕行為，研究環(huán)境-腐蝕-磨損耦合機制，掌握多因素作用下材料的損傷失效行為和過程，分析腐蝕量及磨損量的變化規(guī)律，依據(jù)材料損失程度劃分不同區(qū)域進行損傷機理分析，了解不同材料在海水中的腐蝕及磨損特性，通過廣泛的數(shù)據(jù)積累繪制出典型耐海水腐蝕材料的環(huán)境-磨蝕關系圖，總結出規(guī)律并形成海洋環(huán)境中的材料磨蝕理論，提出嚴酷或極端海洋環(huán)境下的運動配副原則，為復雜海洋環(huán)境摩擦學材料的設計制備和應用奠定基礎。綜合研究海水靜、動條件下的腐蝕問題，拓展海洋環(huán)境下的腐蝕理論和摩擦學理論，充分認識腐蝕與磨損交互作用問題對最終發(fā)展有效的耐磨耐蝕材料與防護技術將是極為重要的。