研究背景

　　先進(jìn)的海洋工程裝備，既是加強(qiáng)海洋國防力量的重要保障，也是發(fā)展海洋藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的必要支撐，是當(dāng)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(guān)鍵零部件的損傷與陸上裝備相比要嚴(yán)重的多，其服役壽命與陸上裝備相比將會(huì)有大幅度縮減。海洋工程裝備中的一些重要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)均是直接暴露在海水介質(zhì)中運(yùn)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(dòng)支撐軸承、海水液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、水下作業(yè)機(jī)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(duì)海洋環(huán)境下動(dòng)態(tài)磨損與腐蝕的交互作用所導(dǎo)致的損傷機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不到位，加之洋流流速或航速的提高等動(dòng)態(tài)環(huán)境因素變化，目前的研究現(xiàn)狀無法指導(dǎo)深海抗磨蝕材料的設(shè)計(jì)和制造的理論。同時(shí)，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(yán)重，由此伴生的振動(dòng)與噪音更是影響海洋裝備系統(tǒng)機(jī)動(dòng)和隱身性能的核心問題。海水環(huán)境關(guān)鍵機(jī)械摩擦副零部件磨蝕機(jī)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(shì)

　　對(duì)于工業(yè)零部件的腐蝕問題，傳統(tǒng)技術(shù)多采用耐蝕鋼、工程陶瓷以及聚合物等耐蝕材料來應(yīng)對(duì)。對(duì)于工業(yè)零部件的磨損問題，傳統(tǒng)技術(shù)多采用熱處理、合金化以及表面改性等強(qiáng)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(qiáng)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(shù)領(lǐng)域受到極大限制。此時(shí)，研究開發(fā)適用于海水環(huán)境的具有較強(qiáng)耐腐蝕磨損特性的功能涂層，是控制海水環(huán)境關(guān)鍵摩擦副零部件腐蝕磨損關(guān)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(shù)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(fù)雜性給基礎(chǔ)研究工作帶來了極大難度，是現(xiàn)代摩擦學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。難度之一是材料體系的復(fù)雜性。對(duì)于整體材料，不同元素組成和物相結(jié)構(gòu)決定了其腐蝕磨損界面不同的物理化學(xué)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(guān)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(jié)構(gòu)的影響因素外，其摩擦界面物理化學(xué)變化還將受到缺陷水平、膜基結(jié)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(guān)聯(lián)損傷行為的自身因素異常復(fù)雜。難度之二在于海水組分的復(fù)雜性。海水介質(zhì)與簡單的酸、堿、鹽溶液相比組分異常復(fù)雜，陽離子有H⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺等，陰離子有Cl-、SO₄^2-、Br^-、HCO^3-、CO₃^2-、F^- 等，不同組分或離子對(duì)材料腐蝕磨損界面的物理化學(xué)變化（如鈍化膜的生成、破壞與再生等）將會(huì)產(chǎn)生不同的作用效果，進(jìn)而對(duì)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(jī)械磨損分量Vm和電化學(xué)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：

　　V_t=V_m+V_e

　　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(xué)作用體積損失的差值。研究結(jié)果認(rèn)為CrN涂層的腐蝕磨損體積損失的主要貢獻(xiàn)來源于機(jī)械作用，而腐蝕磨損損傷機(jī)制主要受表面氧化膜的形成與破壞控制。

　　磨蝕的特點(diǎn)

　　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(yùn)動(dòng)對(duì)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(dǎo)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(xué)載荷和化學(xué)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(yùn)動(dòng)部件所面臨的一個(gè)重大的科學(xué)和技術(shù)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(yuǎn)大于純腐蝕（靜態(tài)腐蝕）與純磨損（機(jī)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(jì)算關(guān)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(duì)腐蝕的加速（腐蝕增量），Wwear-純磨損失重，ΔWw-腐蝕對(duì)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(xué)工作站與摩擦磨損功能集于一體，發(fā)展原位和動(dòng)態(tài)腐蝕參數(shù)的監(jiān)測技術(shù)，建立檢測標(biāo)準(zhǔn)，為磨蝕現(xiàn)象的量化及理論研究的深入提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。針對(duì)海水環(huán)境中長程磨損工況下的力學(xué)與化學(xué)交互作用機(jī)理， 采用往復(fù)摩擦接觸方式，發(fā)展摩擦磨損化學(xué)、力學(xué)、物理等性能基本參量的實(shí)驗(yàn)表征方法，包括：介質(zhì)化學(xué)離子成分、pH值、溫度、摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、載荷等；針對(duì)特定海水電化學(xué)環(huán)境下，發(fā)展載荷、速度、振幅等力學(xué)因素與陰極電流密度等基本參量在微動(dòng)接觸條件下對(duì)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(xué)機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)。在海水環(huán)境抗磨減摩涂層材料設(shè)計(jì)方面，根據(jù)不同因素對(duì)材料海水磨蝕行為影響及摩擦化學(xué)機(jī)理，借助噴涂、PVD/CVD、復(fù)合材料涂層等技術(shù)，建立對(duì)涂層化學(xué)組成、微觀多相結(jié)構(gòu)、微觀組織致密性以及表面組織化的主動(dòng)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

　　綜上所述，采用實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)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(yàn)機(jī)擴(kuò)展為可完成常壓和高壓模擬海洋環(huán)境的摩擦試驗(yàn)裝置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)摩擦與電化學(xué)腐蝕參數(shù)的原位測量。在此基礎(chǔ)上，通過改變摩擦副材料、運(yùn)動(dòng)條件、壓力條件等關(guān)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(fù)雜海洋環(huán)境下的磨蝕行為，研究環(huán)境-腐蝕-磨損耦合機(jī)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(jìn)行損傷機(jī)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(guān)系圖，總結(jié)出規(guī)律并形成海洋環(huán)境中的材料磨蝕理論，提出嚴(yán)酷或極端海洋環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)配副原則，為復(fù)雜海洋環(huán)境摩擦學(xué)材料的設(shè)計(jì)制備和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。綜合研究海水靜、動(dòng)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(xué)理論，充分認(rèn)識(shí)腐蝕與磨損交互作用問題對(duì)最終發(fā)展有效的耐磨耐蝕材料與防護(hù)技術(shù)將是極為重要的。

責(zé)任編輯：張春穎

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