波箔氣體軸承MoS2基潤滑涂層的制備和性能研究*

(南京航空航天大學機電學院 江蘇南京 210016)

波箔氣體軸承是一種利用空氣作為潤滑膜的高性能軸承，主要由軸承套、平箔片、波箔片三部分構成[1-3]。與傳統軸承相比，波箔氣體軸承正常工作幾乎沒有摩擦。但軸承在啟動或停車階段，平箔與轉子相對速度較低，氣膜尚未完全形成，平箔與轉子表面會出現干摩擦，對平箔和轉子表面損傷很大，這極大地影響了波箔氣體軸承使用壽命，降低了軸承工作時的可靠性，限制了其發展應用[4-6]。

目前，在平箔片和軸頸表面制備固體潤滑涂層是減少波箔軸承啟停時摩擦磨損的最好方法。國外主要有兩家研究機構在波箔軸承固體潤滑涂層領域進行了較系統的研究工作，分別是美國的NASA Lewis實驗室與MITI公司，他們的研究各有特點。其中NASA Lewis實驗室研制的涂層多用于轉子表面，主要以PS系列涂層為主，其中性能最好的涂層是PS304復合潤滑涂層[7-10]。而MITI公司研制的涂層多用于箔片表面，主要以KorolonTM系列涂層為主[11]。而我國在該領域起步較晚，與發達國家還有很大差距，本文作者所在的實驗室曾制備過WC-12Co固體潤滑涂層，用于轉子表面獲得了不錯的效果[12]。大量研究表明，轉子表面涂覆硬質涂層，而箔片表面涂覆軟質涂層可以使波箔軸承系統性能達到最優。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗用材料主要有MoS2、環氧樹脂、丙酮和流平劑。其中環氧樹脂起黏結劑的作用，它影響涂層與基底的結合強度；丙酮是一種有機溶劑，通常用來進行稀釋作用；流平劑是一種常用的助劑，它能促使噴涂材料在干燥過程中形成一個平整、光滑、均勻的表面；MoS2為起減摩耐磨作用。

1.2 MoS2固體潤滑涂層的制備

選用不銹鋼圓盤作為制備MoS2固體潤滑涂層的基體，圓盤由不銹鋼棒材機械加工而成，其直徑為30 mm，厚度為4 mm。

將MoS2、環氧樹脂、丙酮和流平劑按一定的比例混合制成涂料，利用噴涂方式制備MoS2基固體潤滑涂層。在噴涂前需要對圓盤試樣進行表面處理。首先對圓盤試樣進行磷化處理，磷化處理的目的是通過噴涂前打底，來提高涂層的附著力與防腐蝕能力。然后采用噴砂、用150和240目金相砂紙打磨等方式分別處理磷化后的試樣。噴砂和打磨處理后的試樣表面有不同的粗糙度，可以比較基體表面粗糙度對涂層結合強度的影響。使用BRUKER Contour GT系列三維光學輪廓儀測得3種方式處理后的基體表面粗糙度平均值分別為Ra45.6 μm、Ra44.3 μm和Ra41.4 μm。

將表面處理后的圓盤試樣用丙酮清洗，自然晾干。噴涂及固化處理工藝流程為：①預熱處理，把圓盤試樣放入箱式電爐中加熱至100 ℃左右，保溫10 min；②噴涂，利用噴槍將配制好的涂料均勻噴涂到圓盤試樣表面上，噴槍距離為15～25 cm，噴涂角度為70°，噴涂氣壓控制在0.2～0.3 MPa，噴涂厚度為30～40 μm[15]；③固化，將噴涂后的試樣放入箱式電爐，電爐溫度保持在170 ℃左右，保溫30～60 min，經過處理最終制成MoS2涂層。

采用同樣的步驟在波箔氣體軸承的平箔片表面制備MoS2涂層。平箔片由InconelX-750型鎳基高溫合金材料制成，噴涂前平箔片表面采用噴砂處理。此外，還選用噴涂有聚四氟乙烯(PTFE)涂層的平箔片進行對比試驗，該聚四氟乙烯涂層已經在商業中得到實際應用，性能優異。

如圖1所示是制備的MoS2涂層試樣和PTFE涂層試樣。

由此可見二者對于修辭態度相似卻不同，前者要求多多益善，后者追求恰到好處。這也是造成兩首歌雖風格同為“中國風”，細品之下卻各有春秋的緣由。

圖1 試驗中使用的涂層試樣

1.3 試驗設備及試驗方法

使用蘭州中科凱華科技開發有限公司研發的WS-2005型涂層附著力自動劃痕儀對圓盤試樣進行涂層與基體結合強度試驗。

涂層的表面截面形貌是涂層分析的重要組成部分，涂層的很多重要物理和化學性能是由其形貌特征決定的。采用日本電子株式會社生產的型號為JSM-7900F的掃描電子顯微鏡(SEM)對涂層表面和截面進行形貌分析。

使用實驗室自行設計的球盤摩擦磨損試驗機對圓盤試樣進行摩擦磨損試驗，試驗參數為：圓盤轉速95.5 r/min，施加的載荷2 N，磨痕軌道直徑20 mm，摩擦磨損時間20 min，試驗環境溫度20 ℃。試驗的球體材料為不銹鋼，盤試樣為不銹鋼圓盤試樣和噴涂MoS2涂層的不銹鋼圓盤試樣2種。通過數據采集和處理得到摩擦因數隨時間變化的關系曲線，對比分析得出MoS2涂層的減摩性能。采用精度為0.1 mg的光電分析天平測量摩擦磨損試驗前后的質量，計算出磨損前后的質量差，取3次測量的平均值，即為其磨損質量。

為了測試MoS2涂層在波箔軸承系統中的實際使用性能，采用自主設計的波箔氣體軸承性能測試實驗臺(如圖2所示)進行臺架試驗。波箔氣體軸承性能測試實驗臺由實驗臺本體、潤滑冷卻系統、測試系統組成。采用電渦流傳感器、拉力傳感器以及熱電偶分別測量徑向相對位移、摩擦力和溫度場，并通過數據采集卡和溫度巡檢儀采集測量數據。

圖2 波箔氣體軸承性能測試實驗臺

試驗選用本文作者所在的實驗室制備的WC-12Co固體潤滑涂層的軸套[12]，與制備的MoS2涂層箔片試樣和PTFE涂層箔片試樣分兩組進行對照試驗，分別是：MoS2涂層和WC-12Co涂層，PTFE涂層和WC-12Co涂層。試驗步驟為：在10 N負載下啟動試驗臺，然后依次加載到30和50 N，每次在達到穩定運轉狀態下加載，穩定狀態是轉速達到了30 000 r/min；加載到50 N，穩定運轉一定時間后將載荷依次卸載，在10 N負載下停車。試驗過程中采用數據采集卡對數據進行同步采集，然后使用數據分析軟件進行比較分析。試驗后將波箔軸承拆卸下來，對箔片表面磨損痕跡進行觀察分析，得出在實際工作過程中涂層的耐磨和減摩性能。

2 試驗結果與分析

2.1 MoS2涂層-基體界面結合強度

圖3所示是不同表面處理條件下MoS2涂層結合力曲線圖，圖中有兩條曲線，一條是劃痕儀劃針與MoS2涂層表面接觸時的動態摩擦力，另一條是聲發射信號。

圖3 不同表面處理條件MoS2涂層結合力曲線圖

試驗過程中，當動態載荷達到臨界載荷時涂層就會被劃破，此時臨界載荷就是涂層結合力；載荷繼續增加，涂層會不斷被破壞，聲發射信號的變化反應在涂層結合力曲線上。對于MoS2涂層，當動態載荷增加到臨界載荷時，會在該處產生一個聲信號脈沖，載荷超過臨界載荷并不斷增加，就會產生連續不斷的聲信號脈沖。在圖3(a)、(b)、(c)中，在某些區間產生的聲信號不連續，這可能是由于涂層厚度不均勻，在該區間涂層太厚，導致沒有產生聲信號脈沖，不過這并不影響臨界載荷，臨界載荷是反應涂層結合力的關鍵數據。

表面噴砂處理、表面150目砂紙打磨和表面240目砂紙打磨是為了提高表面粗糙度，其中噴砂處理的表面粗糙度最大，然后依次為150目砂紙打磨表面、240目砂紙打磨表面。3種表面處理方式下制備得到的MoS2涂層結合力分別為60.7、59.4、58 N。可見，提高基體表面粗糙度都會提高MoS2涂層的結合強度，其中采用噴砂表面處理方式時制備的MoS2涂層結合力最好。

2.2 MoS2涂層表面和截面微觀結構

圖4所示為MoS2涂層表面形貌分析的SEM圖?？芍?，在噴涂過程中材料各成分均勻分布在基底上，沒有出現聚集現象；涂層結構較為致密，表面整體平滑，沒有空洞、間隙和裂紋等缺陷，質量較好；在涂層中彌散分布著一些孔隙，構成了涂層表面的微觀形貌。

圖4 MoS2涂層表面不同放大倍率的形貌SEM圖

圖5所示為MoS2涂層截面形貌的SEM圖，可以看出，MoS2涂層和基底結合緊密，涂層截面整體沒有分層，致密性較好；在涂層截面上基本沒有微孔隙，截面質量較高。通過圖中尺寸比例大致測得該MoS2涂層厚度在38.3 μm左右。

圖5 MoS2涂層截面不同放大倍率的形貌SEM圖

在噴涂過程中，高速的噴涂顆粒撞擊基體表面，有大量顆粒嵌入基體內，形成鋸齒狀咬合現象，說明涂層的結合方式以機械結合為主，這有利于提高該涂層與基體的結合強度和耐磨性。機械結合是二硫化鉬涂層的主要形成方式，當二硫化鉬分子與基體接觸時，由于基體表面比較粗糙，二硫化鉬分子就會沉積在由于表面粗糙而形成的表面微凸體上，從而形成機械結合。機械結合的強度主要取決于表面的粗糙程度[16-17]。

2.3 MoS2涂層摩擦學性能

圖6所示為采用球盤摩擦磨損試驗機測得的不銹鋼基體和MoS2涂層試樣在相同試驗條件下摩擦因數隨時間變化的曲線?？芍磭娡縈oS2涂層的不銹鋼基材摩擦磨損過程達到穩定時摩擦因數較高。其滑動摩擦過程分為兩個階段，即跑合磨損階段和正常磨損階段。在跑合磨損階段，隨著磨損時間的增加，摩擦因數快速上升，該過程持續時間較短；進入正常磨損階段后，摩擦因數在很小的范圍內波動，摩擦因數為0.55左右。而噴涂MoS2涂層后摩擦因數都得到了明顯的降低，與不銹鋼相比，MoS2涂層摩擦因數隨時間的變化趨勢也不相同，即MoS2涂層沒有明顯的跑合磨損階段。MoS2涂層隨著磨損時間的增加，摩擦因數趨于0.25，相比不銹鋼基體降低了54.5%左右。從摩擦磨損試驗全過程來看，MoS2涂層能夠有效地起到減摩作用。

圖6 不銹鋼和MoS2涂層摩擦因數隨時間變化曲線

摩擦磨損試驗后，不銹鋼和MoS2涂層試樣平均磨損量分別為12.3和7.3 mg，即MoS2涂層磨損量相對減小了40.7%，說明這MoS2涂層在該試驗條件下耐磨性能較好。

圖7所示是MoS2涂層摩擦磨損實驗后磨痕表面形貌SEM圖，可以看出，MoS2涂層表面有溝狀磨痕，還有一些小的凹坑。在摩擦磨損試驗初期，MoS2涂層表面的微凸體在與摩擦副小球會產生擠壓作用，發生切削和塑性變形，其中有些顆粒從涂層中脫落，這些脫落的顆粒成為磨粒對涂層表面進行細微切削，使涂層表面出現一些犁溝磨痕，因此MoS2涂層的初期磨損形式主要為磨粒磨損。隨著磨損時間的不斷增加，MoS2涂層表面產生大量摩擦熱，使得涂層中的環氧樹脂熔化，導致涂層與基體的黏結能力下降，涂層材料表面會出現小塊脫落，出現小的凹坑，此時涂層發生了黏著磨損[18]。

圖7 MoS2涂層磨痕表面形貌SEM圖

2.4 MoS2涂層波箔軸承臺架試驗研究

圖8、9所示分別是波箔軸承以10 N載荷啟動，并由10 N增加到30 N、由30 N增加50 N并達到穩定運行狀態時，臺架試驗測得的MoS2涂層和PTFE涂層箔片的摩擦力矩隨時間變化的曲線。圖中摩擦力矩曲線分別出現3次突然直線上升的情況，分析可知，當每次載荷變化時，測得的摩擦力矩會突然增大。這是因為試驗以初始載荷10 N啟動，此時相對轉速較低，波箔軸承與軸套之間氣膜沒有完全形成，平箔片與軸承直接接觸產生摩擦，此時的摩擦力矩會突然變大；隨著轉軸轉速的增大，波箔軸承與軸套的相對速度增大，形成穩定氣膜，平箔片與軸承沒有接觸，摩擦減少，摩擦力矩漸漸趨于穩定。當載荷由10 N增加到30 N和由30 N增加到50 N時，情況與上述類似。

圖8 箔片MoS2涂層和軸套WC-12Co涂層臺架 試驗摩擦力矩隨時間變化曲線

圖9 箔片PTFE涂層和軸套WC涂層臺架試驗摩擦力 矩隨時間變化曲線

對比圖8、9中出現的3次曲線變化，當使用MoS2涂層的平箔片進行試驗，3次變化產生的最大摩擦力矩分別為1.35、1.34、2.0 N·m。同樣，使用PTFE涂層的平箔片時，3次變化產生的最大摩擦力矩分別是1.33、1.88、1.59 N·m?？梢钥闯觯邌幽Σ亮叵嗖畈淮螅谳d荷由10 N增加到30 N時，與使用PTFE涂層的平箔片相比，使用MoS2涂層的平箔片試驗產生的摩擦力矩是較小的，而當載荷由30 N增加到50 N時，使用MoS2涂層的平箔片試驗產生的摩擦力矩是較大的。分析可知，低載荷下，在氣膜達到穩定過程中，使用安裝MoS2涂層平箔片的波箔軸承減摩效果顯著，其性能優于使用商用PTFE涂層平箔片的波箔軸承；但在高載荷下，使用商用PTFE涂層平箔片的波箔軸承減摩效果更好?？偟膩砜矗苽涞腗oS2涂層箔片其減摩性能已接近商用PTFE涂層箔片。

MoS2涂層箔片和PTFE涂層箔片臺架試驗后的磨損情況對比如圖10所示。圖10(a)所示是試驗后的MoS2涂層箔片，可以看出箔片磨損比較嚴重，箔片表面涂層明顯變薄，大量涂層被磨掉。這是因為，在箔片表面制備MoS2涂層時，對箔片表面進行了噴砂處理，由于平箔片很薄，噴砂處理產生的內應力很大，箔片產生彎曲，噴涂制備的MoS2涂層可能厚度不均勻。用該MoS2涂層箔片做試驗時，當載荷改變時，氣膜恢復穩定過程比較緩慢，波箔軸承平箔片與軸套之間的干摩擦持續時間較長，摩擦會產生大量摩擦熱，使得涂層中的環氧樹脂熔化，涂層材料會小塊脫落，這些脫落的顆粒附著在軸套表面成為磨粒，對涂層表面進行細微切削，使涂層表面出現一些犁溝磨痕，該過程導致MoS2涂層箔片磨損嚴重。

圖10(b)所示是試驗后的PTFE涂層箔片，該箔片的磨損不太嚴重。文中采用的PTFE涂層是商用涂層，其制備過程保證了涂層表面的均勻。在試驗中，當載荷改變時，氣膜恢復穩定過程迅速，波箔軸承平箔片與軸套短時間的摩擦不會產生大量熱量，PTFE涂層表面在與軸套摩擦過程中某些顆粒從涂層中脫落，這些脫落的顆粒對涂層表面進行切削，使涂層表面出現一些磨痕，因此PTFE涂層箔片磨損形式主要為磨粒磨損。

目前，為了解決在箔片上噴涂制備MoS2涂層厚度不均勻的問題，采用砂紙打磨處理的方式來增大箔片表面的粗糙度。這樣箔片不會因為噴砂處理產生的應力而導致彎曲，同時，砂紙打磨處理和采用噴砂處理后制備的MoS2涂層的結合強度相差不大，完全可以用砂紙打磨處理替代噴砂處理。

圖10 MoS2涂層箔片和PTFE涂層箔片臺架試驗后的磨損 情況對比

3 結論

(1)不銹鋼圓盤試樣進行表面噴砂處理、表面150目砂紙打磨和表面240目砂紙打磨后，制備的MoS2涂層結合力分別為60.7、59.4、58 N。提高基體表面的粗糙度可提高MoS2涂層的結合強度，其中噴砂處理后制備的MoS2涂層結合力最好。

(2)MoS2涂層中各成分均勻分布，沒有出現聚集現象；涂層結構較為致密，表面整體平滑，沒有空洞、間隙和裂紋等缺陷；涂層和基底結合緊密，涂層截面整體沒有分層，涂層的結合方式以機械結合為主。

(3)球盤摩擦磨損試驗結果表明：不銹鋼基體平均摩擦因數為0.55，MoS2涂層的平均摩擦因數為0.25，MoS2涂層相比不銹鋼基體降低了54.5%左右；不銹鋼和MoS2涂層的磨損量分別為12.3和7.3 mg，MoS2涂層的磨損量相對減小了40.7%，這說明MoS2涂層在該試驗條件下的耐磨減摩性能較好。MoS2涂層的初期磨損形式主要為磨粒磨損，隨著磨損時間的不斷增加，涂層發生了黏著磨損。

(4)波箔軸承臺架試驗結果表明：低載荷下，在

氣膜達到穩定過程中，使用安裝MoS2涂層平箔片的波箔軸承減摩效果顯著，其性能優于使用商用PTFE涂層平箔片的波箔軸承；但在高載荷下，使用商用PTFE涂層平箔片的波箔軸承減摩效果更好。總體而言，制備的MoS2涂層箔片其減摩性能已接近商用PTFE涂層箔片。臺架試驗表明，MoS2涂層箔片磨損嚴重，而PTFE涂層產生輕微磨損，表明制備的MoS2涂層箔片的耐磨性能較差，其原因是噴涂制備的MoS2涂層可能厚度不均勻，為了解決在箔片上噴涂制備MoS2涂層厚度不均勻的問題，可采用砂紙打磨處理來處理箔片表面，這樣箔片不會因為噴砂處理產生的應力而導致彎曲。