Cu-WS2复合材料在海洋环境下的腐蚀磨损行为研究

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在海洋环境中服役的关节轴承或零件需要添加润滑剂以达到润滑效果,但是传统的润滑油、润滑脂在使用过程中易出现挥发、滴漏而造成润滑失效和环境污染等问题。固体自润滑复合材料通过在摩擦过程中提供内置润滑剂,并在接触表面形成润滑膜,从而达到长期有效润滑的目的。其中,铜基自润滑复合材料由于其优良的导电导热性能、热加工性能和耐蚀性能,广泛用于装备制造、电力电子、航空航天等诸多领域。因此,近年来受到众多国内外学者的关注。本文采用Cu作为基体,WS2作为润滑相,利用放电等离子烧结(SPS)技术在不同工艺下制备了铜基自润滑复合材料。通过XRD、SEM、TEM等分析手段对复合材料的物相组成、微观结构以及磨损腐蚀形貌等进行了研究,并用MFT-5000摩擦磨损试验机对其摩擦磨损性能和磨损腐蚀行为进行了测试和分析。主要研究内容为:采用850℃烧结温度制备两种含量分别为Cu-10 wt%WS2(C10W)和Cu-20 wt%WS2(C20W)的复合材料,研究了两者的中性盐雾腐蚀行为,分析了两者的腐蚀机理以及腐蚀对摩擦磨损性能的影响作用机理。主要得出的结论为:C10W和C20W在盐雾环境中都发生了严重的点蚀,但C10W与C20W相比,腐蚀速率更快,点蚀坑的数量更多。它们的腐蚀过程均可归结为三个阶段:电化学腐蚀—氧化膜增长—电化学腐蚀。C10W和C20W在腐蚀3天后干摩擦下的摩擦系数相差不大。Cu-WS2复合材料在干摩擦情况下的磨损机制主要以粘着磨损为主。经过盐雾腐蚀后,其磨损机制转变为以磨粒磨损为主。C10W腐蚀3天后的磨损率达到5.24 × 10-7 mm3/(N·m),而C20W腐蚀3天后的磨损率仅为0.07×10-7 mm3/(N·m)。此外,两种复合材料的磨损率随腐蚀时间的增长表现出不同的变化趋势,C10W的磨损率随着腐蚀时间的增长而逐渐增大;而C20W的磨损率随着腐蚀时间的增长而有所减小。在第一阶段的实验中,含量为Cu-20 wt%WS2的复合材料表现出相对较好的性能,选用该成分进行下一步实验。为了改善Cu-20 wt%WS2复合材料的润滑性能,降低烧结温度至800℃(烧结样品记为C20W-800℃)。将C20W-800℃与铝青铜QAl10-3-1.5(Q AL)进行人工海水浸泡实验和磨损腐蚀实验的对比研究。结果表明,合金QAL由于去钝化/再钝化现象,腐蚀行为受到摩擦磨损的影响很大,其腐蚀电位由摩擦前的-0.29V变为-0.79V,腐蚀电流密度增大了两个数量级,而C20W-800℃的腐蚀行为受摩擦磨损的影响不大。两种材料在+0.5 V的恒电位极化下,润滑性能都达到最优,C20W-800℃的摩擦系数低至0.15,而QAL约为0.26。无论是处于阴极电位还是处于阳极电位下,C20W-800℃的润滑性能都有所提高;但QAL只在阳极电位下润滑性能才有所改善。
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