金屬表面減摩方法研究綜述

國增磊，李敏，王淑峰，遲靜，陳琳琳，梁斌，薛均賢，杜中鵬，郭智新

金屬表面減摩方法研究綜述

國增磊，李敏*，王淑峰，遲靜，陳琳琳，梁斌，薛均賢，杜中鵬，郭智新

（山東科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

磨損失效是金屬材料主要的失效形式之一，因此減少材料表面磨損一直是金屬改性的研究重點(diǎn)?；谡持碚?、潤滑相結(jié)構(gòu)、潤滑膜行為等不同角度，對如何提升金屬材料的減摩性能進(jìn)行解讀，并根據(jù)理化性質(zhì)的改變，綜述2類表面減摩方向：化學(xué)減摩、物理減摩?；瘜W(xué)減摩由自潤滑涂層展開，闡述自潤滑體系的分類，從粘著摩擦力探究潤滑膜的減摩機(jī)制。介紹外部直接添加與原位合成的減摩方法。舉例了4種自潤滑涂層的制備工藝：噴涂、氣相沉積、微弧氧化、高能束熔覆。物理減摩中的梯度納米和表面織構(gòu)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。通過探究脆性摩擦層與應(yīng)力應(yīng)變的變化，研究梯度納米結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制，介紹了機(jī)械研磨、激光沖擊等制備技術(shù)。表面織構(gòu)在不同摩擦狀態(tài)下，擁有儲油、集屑、流體動壓潤滑的功能，常見的制備方法有激光刻蝕、化學(xué)刻蝕等。最后對金屬表面減摩的未來發(fā)展進(jìn)行展望：從多尺度追溯起源，完善摩擦理論；利用原位合成、微觀結(jié)構(gòu)活動探究如何延長減摩時(shí)間；展開多元體系、工藝的優(yōu)化，向經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方向發(fā)展。

化學(xué)減摩；物理減摩；自潤滑涂層；原位合成；梯度納米；表面織構(gòu)；制備技術(shù)

隨著工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，尖端設(shè)備及工業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)，金屬材料的研究應(yīng)用得到不斷擴(kuò)展。然而，在礦山、軌道、航天等高溫、高壓、重載工況下，各種零件損耗仍然十分嚴(yán)重，尤其是磨損失效，大大增加了能源消耗[1]。因此，提升金屬材料的摩擦性能，延長設(shè)備使用壽命，提高金屬原材料的利用率，是當(dāng)前推進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

從水平剪切強(qiáng)度的角度研究，減少摩擦副的接觸、降低水平剪切力是一個(gè)更為有效的方法。傳統(tǒng)的減摩方法是添加潤滑油，用油膜隔絕摩擦，但在高溫、高壓下，潤滑油因黏度變化，減摩效果會降低，并且由于運(yùn)輸儲存、環(huán)保衛(wèi)生等因素，使液體潤滑劑的應(yīng)用發(fā)展受到影響[3]。通過鑄造、冶金燒結(jié)等工藝獲得減摩合金，如巴氏合金、鎢銅合金[4-5]，以軟金屬的低剪切力可有效降低表面的摩擦系數(shù)，但軟金屬強(qiáng)度較低，且整體改性會改變零件原本的使用性能，增加成本。

結(jié)合摩擦發(fā)生的位置，大部分磨損失效是表面損傷行為，因此只強(qiáng)化表層是最經(jīng)濟(jì)、最有效的改性手段。金屬表面強(qiáng)化包含表面涂敷（涂層制備）、表面改性（如熱處理強(qiáng)化），通過不同工藝，改變工件表面的理化性質(zhì)，賦予其優(yōu)良的減摩耐磨性及其他性能強(qiáng)化[6-7]。本文以理化性質(zhì)為依據(jù)，從降低水平剪切強(qiáng)度的角度，將金屬表面強(qiáng)化中的減摩改性劃分為化學(xué)減摩、物理減摩，概述減摩方法、潤滑機(jī)理、研究進(jìn)展、制備技術(shù)等，并對未來的發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 化學(xué)減摩

改變材料表面的化學(xué)性質(zhì)，使表面獲得潤滑功能的減摩改性稱為化學(xué)減摩。化學(xué)減摩根據(jù)是否外加其他元素或表面防護(hù)層，分為自身改性和非自身改性，現(xiàn)階段常見的減摩方法是非自身改性的自潤滑涂層，本部分主要闡述自潤滑涂層的直接添加法和原位合成法，并介紹其制備技術(shù)。

1.1 直接添加

直接添加法是在基材上直接添加固體潤滑相、金屬基粘結(jié)材料等組元來制備涂層的方法。這種方法不用通過新相再生，直接利用外部添加的潤滑相，使涂層獲得自潤滑功能[8]。其中固體潤滑相多為層狀結(jié)構(gòu)，如圖1，MoS2晶體結(jié)構(gòu)（2H型）中S原子層之間為范德華力結(jié)合，抗剪強(qiáng)度低，易滑動，類似有石墨、氟化物、聚四氟乙烯聚合物、納米氮化硼等[9]，以及兼具石墨與金剛石結(jié)構(gòu)的類金剛石薄膜DLC（Diamond-like carbon），摩擦過程中依靠高強(qiáng)度、石墨化以及元素?fù)诫s來降低磨損量[10-11]。

除固體潤滑相外，與基材有良好潤濕性的合金材料也是體系中必要的組元。如Fe、Ni、Co基合金，加以降低熔點(diǎn)的B、Si等元素，可以有效提升體系的相容性，改善涂層宏觀成型[13]。為獲得綜合性能，金屬基粘結(jié)材料還可采用高熵合金和非晶合金等特殊材料。高熵合金是一種由5個(gè)或更多元素組成的多主元素合金，它的高熵效應(yīng)、雞尾酒效應(yīng)等結(jié)構(gòu)和性能特征，使其在極端工況下仍能穩(wěn)定潤滑抗磨[14]。以高熵合金為粘結(jié)基材的涂層，多與軟金屬Ag等結(jié)合，可發(fā)揮出寬溫域的減摩耐磨功效[15]；或制備高熵合金薄膜，利用多元氧化物，在表面獲得連續(xù)潤滑膜[16]。與晶體材料相比，非晶合金是一種長程無序的凝聚態(tài)材料，急冷形成的非晶組織沒有晶粒晶界，因此應(yīng)力缺陷也相對較少，能有效減少顆粒相的剝落，有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度和耐磨性[17]。Ji等[18]利用放電等離子燒結(jié)，將Fe48Cr15Mo14Y2C15B6非晶態(tài)粉末與石墨結(jié)合，制備石墨增強(qiáng)非晶復(fù)合材料，在石墨潤滑膜的作用下，摩擦系數(shù)和磨損率都較低。在涂層體系中添加一些強(qiáng)化相，如金屬間化合物、石墨烯、稀土氧化物等[19-21]，在微量添加控制成本的情況下，也可提升涂層的綜合性能。具體的金屬基自潤滑涂層體系如表1所示。

結(jié)合潤滑相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自潤滑涂層的減摩機(jī)理為：潤滑相在表面摩擦?xí)r因剪切移動和化學(xué)反應(yīng)形成潤滑膜，干摩擦轉(zhuǎn)為邊界摩擦，如圖1。根據(jù)Blau等[22]的平均法和李博雅等[3]對摩擦力計(jì)算的改進(jìn)，忽略遠(yuǎn)小于粘著的犁溝阻力，在存在部分潤滑膜時(shí)，粘著摩擦力的大小為：

式中：A為磨球與涂層表面的接觸面積；1為磨球與潤滑膜的接觸面積；1和分別為涂層和潤滑膜的剪切強(qiáng)度。假設(shè)向下的載荷均勻分布，摩擦系數(shù)為：

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表1 金屬基固體潤滑涂層材料體系[3]

Tab.1 Material system of metal-based solid self-lubricating coatings[3]

圖2 自潤滑涂層潤滑機(jī)理

近年來，為改善潤滑相和表面潤滑膜的自潤滑能力，已有多種可直接添加的新型固體潤滑劑和涂層體系被開發(fā)研究：如對MoS2水解改性，可有效提升二硫化鉬復(fù)合涂層的耐蝕性和減摩性[23]；Al2O3納米粒子在復(fù)合涂層中的高效減摩等皆在不斷被開發(fā)研究[24]，通過粒徑細(xì)化與化學(xué)改性等方法，有效提升了傳統(tǒng)潤滑相的減摩特性。

1.2 原位合成

在制備自潤滑涂層時(shí)，除要求具有低摩擦系數(shù)外，與基體之間還應(yīng)具備較好的物理相容性和界面結(jié)合力，以避免涂層脫落；同時(shí)為保證自潤滑的持續(xù)穩(wěn)定，相較直接添加潤滑相，通過原位合成獲得的涂層潤滑性能更優(yōu)。

原位合成的原理就是利用元素與元素或化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，生成新相[25]。應(yīng)用在金屬涂層中可以使基體與涂層物質(zhì)互相擴(kuò)散、反應(yīng)，界面呈冶金結(jié)合，且原位生成的新潤滑相與剩余的原潤滑相，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，能夠更好地發(fā)揮其潤滑膜的減摩功效。原位合成的主要特征是[26]：一是新形成的潤滑相依附基體初生相形核長大，與基體相容性好，結(jié)合強(qiáng)度高；二是通過控制元素比例和工藝，可以調(diào)節(jié)新相的種類及區(qū)域分布，以減少偏析；三是避免直接加入潤滑相所帶來的加工缺陷以及成本問題。

原位合成起源于原位結(jié)晶和原位聚合，由原蘇聯(lián)Merxhanov等[27]用自蔓延法合成TiB2/Cu復(fù)合材料時(shí)提出，并作出總結(jié)，推進(jìn)商業(yè)化。其中自蔓延高溫合成技術(shù)是指利用高放熱反應(yīng)獲得的能量使反應(yīng)以燃燒的方式自動蔓延，生成新物質(zhì)。除自蔓延外，原位合成還分為水熱合成法、放熱彌散法、熔鑄法、反應(yīng)熱壓法、機(jī)械合金化等[28-29]。Jin等[30]采用水熱合成法原位制備Mn3O4/石墨烯納米材料，并添加到鋰基潤滑脂中，油膜的承載能力和有效潤滑溫度都得到了提高。Liu等[31]將Ni、Al、WC、Fe混合粉末壓坯，通過熱爆法原位合成NiAl金屬間化合物，NiAl具有優(yōu)異的高溫耐磨性和高硬度，F(xiàn)e的存在減少了裂紋，表層Fe、Ni、Al氧化膜改善了NiAl復(fù)合材料的高溫自潤滑特性。

利用原位合成進(jìn)行減摩改性，廣泛擴(kuò)展了固體潤滑的應(yīng)用。多元陶瓷、氧化物等潤滑相，通過原位合成，提高了其在涂層中的利用率；硬質(zhì)增強(qiáng)相與潤滑相的原位內(nèi)生，提高了減摩耐磨的協(xié)同強(qiáng)化；與涂層技術(shù)的結(jié)合，改善了膜基結(jié)合力和宏觀成型。未來為擴(kuò)展納米潤滑劑等復(fù)合材料在涂層中的應(yīng)用，還需對涂層體系中的原位反應(yīng)和非平衡相變等展開更深入的理論實(shí)驗(yàn)研究，并改進(jìn)合成工藝。

1.3 制備技術(shù)

自潤滑涂層的組織性能除受成分和添加方法的影響外，還與制備技術(shù)有關(guān)。針對上述2種化學(xué)減摩方法的技術(shù)有：化學(xué)溶液沉積（電鍍、化學(xué)鍍）、噴涂、轉(zhuǎn)化膜（微弧氧化、溶膠-凝膠）、粉末冶金、氣相沉積、高能束熔覆等。

1.3.1 噴涂技術(shù)

噴涂分為熱噴涂和冷噴涂技術(shù)。熱噴涂是利用火焰或等離子體等熱源將材料噴出，升溫熔融，在基材表面形成涂層。Shi等[32]采用大氣等離子噴涂制備Ag-BaF2/CaF2共晶的AlCoCrFeNi高熵合金（HEA）基涂層，Ag和BaF2/CaF2潤滑相的存在，降低了高溫摩擦下的磨損量，比在室溫環(huán)境下更抗磨。冷噴涂是指粒子通過強(qiáng)烈的塑性變形，高速撞擊，噴涂到基體表面。與熱噴涂相比，無需高溫工作環(huán)境，是一種相對環(huán)保安全的技術(shù)。Chen等[33]在304不銹鋼表面通過低壓冷噴涂沉積鍍銅石墨-Al2O3涂層，當(dāng)鍍銅石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，摩擦系數(shù)最低為0.29，因Al2O3引起的塑性變形與Cu的潤濕性問題，會有微觀開裂，但相對基體，涂層強(qiáng)度較高，潤滑性能優(yōu)良。然而，不論是熱噴涂還是冷噴涂，涂層結(jié)合強(qiáng)度低一直是一個(gè)難題，現(xiàn)已有研究[34]通過擴(kuò)散-熔化的塊狀噴涂機(jī)制，或重熔處理，來減少缺陷，提高噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

1.3.2 氣相沉積

氣相沉積技術(shù)是指將氣化粒子通過物理或化學(xué)的方法沉積在基體表面。物理氣相沉積主要有真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍等，由離子鍍衍生的多弧離子鍍是指采用弧光放電將陰極靶材蒸發(fā)，高速打在基片表面，沉積鍍膜。陳吉會等[35]采用多弧離子鍍在銅套材料表面制備AlSn20減摩鍍層，多弧離子鍍沉積速率高，離化率高，膜層結(jié)合強(qiáng)度在鍍膜50 min時(shí)相對較好，為59 N（附著力劃痕試驗(yàn)），摩擦系數(shù)為0.25，鍍膜時(shí)間再增加，電弧激發(fā)能量過高，氣化粒子會聚成大液滴，薄膜均勻性變差[36]?；瘜W(xué)氣相沉積是指氣態(tài)物質(zhì)在界面發(fā)生反應(yīng)沉積成膜，是規(guī)模制備二維材料的有效方法[37]。近年來，不斷發(fā)展的等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積[38]，是指反應(yīng)氣體通過電場激發(fā)，形成高活性等離子體，加速反應(yīng)發(fā)生，提高成膜速率。賈倩等[39]通過等離子體化學(xué)氣相沉積制備非氫含碳薄膜，采用化學(xué)溶液鍍膜法在磨球表面獲得納米金薄膜，在薄膜與磨球的摩擦反應(yīng)中，金催化非晶碳向石墨烯轉(zhuǎn)變，摩擦系數(shù)低至0.008，為實(shí)現(xiàn)宏觀尺度的超滑（COF低于0.001）提供了新的方法。

1.3.3 微弧氧化

微弧氧化技術(shù)是指在陽極氧化的電化學(xué)極化基礎(chǔ)上，提高電壓使金屬表面發(fā)生氧化膜擊穿，產(chǎn)生微弧放電，金屬表面與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，形成具有冶金結(jié)合的氧化物陶瓷膜，多應(yīng)用于鈦、鎂、鋁及其合金[40]。脈沖電壓在材料表面電火花放電，通過化學(xué)反應(yīng)生成潤滑顆粒，形成減摩層，溶液電鍍后處理進(jìn)一步提高其致密性，進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化。楊澤慧等[41]將鈦合金陽極置入Na2MoO4/Na2S磷酸鹽電解液中，進(jìn)行微弧氧化，原位制備了MoS2/TiO2復(fù)合膜層，與直接在電解液中添加MoS2相比，原位制備MoS2的體系中，添加Na2S為30 g/L時(shí)的摩擦系數(shù)降低了19.3%，臨界載荷提高了2倍多，說明原位反應(yīng)與微弧氧化的結(jié)合，有效改善了鈦合金涂層的膜基結(jié)合力，且隨功能性納米MoS2等新材料的加入，減少了表面孔隙，提高了其減摩、抗磨功效，延長了航空、海洋等復(fù)雜工況下設(shè)備的使用壽命[42]。

1.3.4 高能束熔覆

高能束熔覆是指利用等離子弧、電子束或激光等熱源，將粉末與基材表面同時(shí)熔化并快速凝固，制備涂層，與傳統(tǒng)堆焊、噴涂相比，涂層組織細(xì)小，成型質(zhì)量好，自動化程度高[1]，廣泛應(yīng)用于礦山襯板、截齒、軸類等工件的修復(fù)和防護(hù)[43]。激光熔覆是指以激光束掃描粉末、基體，在保護(hù)氣中熔覆涂層，涂層組織均勻致密，涂層與基體呈現(xiàn)冶金結(jié)合。Yuan等[44]通過激光熔覆在高錳鋼表面制備了NiCr/TiC、NiCr/ TiC-Cu和NiCr/TiC-Cu-WS2涂層，在添加Cu+WS2的涂層中，TiC作為提高硬度的增強(qiáng)相，Cu與WS2、CrS組成復(fù)合潤滑膜，減小了磨球?qū)Σ牧媳砻娴哪p，相對于其他涂層，激光熔覆涂層有更優(yōu)異的減摩抗磨性能。等離子熔覆同樣是在氬氣保護(hù)下，同軸送粉，粉末進(jìn)入熔池，凝固形成涂層，如圖3。與激光熔覆相比，等離子弧的弧柱直徑大，制備產(chǎn)品的尺寸精度略低，但弧柱穩(wěn)定，對環(huán)境、工件要求低，多用于Fe、Co、Ni基的減摩耐磨涂層制備[1]。張夢月[45]采用等離子熔覆工藝在灰鑄鐵表面熔覆Ni60-h-BN/ MoS2復(fù)合涂層，在室溫及200 ℃時(shí)均表現(xiàn)出良好的減摩耐磨性能，涂層的抗沖蝕能力和強(qiáng)度皆優(yōu)于灰鑄鐵基體。

圖3 等離子熔覆原理圖

在工業(yè)與科技發(fā)展的帶動下，金屬基的化學(xué)減摩改性方法推陳出新，在固體潤滑的研究及制備技術(shù)方面不斷發(fā)展成熟，并廣泛應(yīng)用于交通、航天等領(lǐng)域，未來也更應(yīng)轉(zhuǎn)向新型協(xié)同潤滑體系的開發(fā)及技術(shù)改進(jìn)，在強(qiáng)韌性匹配等概念上繼續(xù)研究探索。

2 物理減摩

為適應(yīng)多種工況需求，減摩體系不斷開發(fā)改進(jìn)，但在強(qiáng)塑性協(xié)同，以及理化相容性、應(yīng)力集中等問題上仍有待改善。因此，要從其他方向提升減摩性能，基于涂層問題的機(jī)理研究，在金屬材料表面不外加強(qiáng)化層，不改變化學(xué)組分，對基材表層進(jìn)行改性，如相變強(qiáng)化（表面淬火）、形變強(qiáng)化等，即可避免物質(zhì)不相容和膜基結(jié)合力差的問題。改變金屬材料表層微觀或宏觀的結(jié)構(gòu)形貌，提高其減摩性能，這種表面改性稱之為物理減摩，本節(jié)主要介紹形變強(qiáng)化中的梯度納米和表面織構(gòu)方法。

2.1 梯度納米結(jié)構(gòu)

2.1.1 研究進(jìn)展與減摩原理

在化學(xué)成分相同時(shí)，與粗晶材料相比，納米材料擁有更高的耐磨、耐蝕、抗疲勞性能[46]。但金屬材料納米化后，強(qiáng)度提高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性反而變差。而有研究表明，對納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度構(gòu)建，納米材料的失穩(wěn)失效可得到有效改進(jìn)，這種多尺度的結(jié)構(gòu)，在晶粒尺寸或?qū)悠穸壬铣尸F(xiàn)由納米到宏觀的尺度變化（mm、mm），稱為梯度納米結(jié)構(gòu)[47]。從物理梯度分類有梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)、梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)、梯度納米層片結(jié)構(gòu)、梯度納米柱狀結(jié)構(gòu)；同時(shí)也存在化學(xué)梯度，包括相變梯度、固溶體梯度、成分梯度、混合梯度[47-48]。

21世紀(jì)初，梯度納米結(jié)構(gòu)在表層機(jī)械納米化基礎(chǔ)上被引入，通過實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特的抗疲勞特性和機(jī)械摩擦學(xué)性能[49-50]。在強(qiáng)度塑性協(xié)同上，梯度納米結(jié)構(gòu)GNG（Gradient Nanograined）也明顯優(yōu)于粗晶材料CG（Coarse Grained）和納米材料NG（Nanosized Grains），如圖4[51]。

圖4 3種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度-塑性匹配[51]

2016年，陳翔等[52]首次通過實(shí)驗(yàn)證明，梯度納米結(jié)構(gòu)在高載荷長時(shí)間的摩擦下仍能保持穩(wěn)定的低摩擦系數(shù)，在于其獨(dú)特的變形機(jī)制：從應(yīng)力角度分析，表面摩擦損傷的實(shí)質(zhì)原因?yàn)樗苄宰冃萎a(chǎn)生的位錯(cuò)累積與應(yīng)變局部化，導(dǎo)致脆性摩擦層形成；而梯度納米結(jié)構(gòu)在摩擦?xí)r應(yīng)力向下傳遞，使底層發(fā)生晶界遷移，晶粒長大粗化，抑制表層應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展，減緩表層粗糙化和分層[53]；同時(shí)結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生一個(gè)梯度變化的彈性極限，適應(yīng)不同載荷的塑性變形[2]；梯度納米結(jié)構(gòu)的制備由噴丸沖擊演化而來，沖擊產(chǎn)生的壓縮殘余應(yīng)力[54]，亦可抑制應(yīng)變局部化，維持表層穩(wěn)定性?？偠灾荻燃{米結(jié)構(gòu)特殊的晶粒、位錯(cuò)、應(yīng)力應(yīng)變等的梯度變化，減少了摩擦損傷的積累，提升了表層的穩(wěn)定性。

2.1.2 梯度納米制備技術(shù)

梯度納米結(jié)構(gòu)的加工方法主要分為2類：一是自身納米化，即表層塑性變形（表面機(jī)械處理），二是非自身納米化（物理化學(xué)沉積等）[47]。表面機(jī)械研磨（Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT）是一種沖擊工藝，在真空腔中，鋼球高速撞擊表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形，表層形成梯度納米，如圖5a。其細(xì)化晶粒機(jī)制為：沖擊變形以位錯(cuò)滑移形式展現(xiàn)，產(chǎn)生位錯(cuò)胞，并演化為亞晶界，切割晶粒[55]。王榮華等[56]以25 Khz的振動頻率對5052鋁合金進(jìn)行機(jī)械研磨0.5～ 5 min，表層晶粒尺寸呈現(xiàn)梯度分布，硬度和拉伸性能較傳統(tǒng)軋制和連鑄連軋鋁合金都有所提升。SMAT技術(shù)制備速度快，但表面會產(chǎn)生凹坑，后續(xù)磨拋處理會損失一部分納米層。

表面機(jī)械碾磨（Surface Mechanical grinding Treat-ment，SMGT，圖5b）與機(jī)械研磨相比，表面需處理的凹坑變形小。采用半球向下碾壓，棒材相對旋轉(zhuǎn)，通過累積應(yīng)變獲得梯度變形層。高鈺璧等[57]通過機(jī)械碾磨在Inconel 625鉻鎳鐵耐熱合金表層制備出800mm的梯度納米層，雖然表層因滑動摩擦發(fā)生晶粒粗化，磨損機(jī)制為粘著磨損、磨粒磨損和輕微氧化磨損，但顯微硬度從納米表層的6.95 GPa到粗晶層的2.77 GPa，得到梯度增強(qiáng)，使磨損量降低了70%，減摩抗磨性明顯提高。

圖5 SMAT和SMGT示意圖

隨著激光、超聲的發(fā)展，以機(jī)械塑性變形為基礎(chǔ)，由噴丸技術(shù)發(fā)展出激光沖擊、超聲滾壓等工藝[46,58]：激光沖擊是指利用激光誘導(dǎo)等離子體，向材料內(nèi)部傳遞沖擊波，使表層產(chǎn)生塑性變形；電脈沖技術(shù)是指利用電流熱量和電塑性沖擊，使表層晶粒尺寸細(xì)化；超聲滾壓工藝是指將高頻振動與球刀碾磨相結(jié)合，進(jìn)行表面塑性加工。這幾種技術(shù)較傳統(tǒng)機(jī)械變形，變形速度更快，得到的梯度納米層厚度更大，表面損傷也相對更小[59]。Ma等[60]通過激光沖擊在300M鋼表層制備梯度納米結(jié)構(gòu)，表層晶粒細(xì)化，且出現(xiàn)形變孿晶等亞結(jié)構(gòu)缺陷，隨著沖擊能量的增加，壓縮殘余應(yīng)力和形變層深增加，出現(xiàn)部分非晶化，強(qiáng)度、塑性提高，但宏觀裂紋增多。Ji等[61]在Inconel 718高溫鎳基合金表面進(jìn)行電脈沖和超聲耦合處理，制備450 um厚的梯度納米強(qiáng)化層，與原始合金相比，1 000 A電流處理的樣品磨損量和摩擦系數(shù)分別降低了32.5%和15.8%。這類技術(shù)沖擊能量大小對材料成型質(zhì)量影響甚大，未來應(yīng)加強(qiáng)能量輸出的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)表層晶粒的可控性轉(zhuǎn)變。

累積軋制是指疊合軋制熱處理工藝，適用于大型板件的工業(yè)生產(chǎn)[62]；扭轉(zhuǎn)、旋鍛是指在材料徑向進(jìn)行變形，芯部到表面呈現(xiàn)梯度納米孿晶特征，多用于棒材、管材鍛造[63-64]。物理化學(xué)沉積是指通過控制不同深度的沉積參數(shù)和材料比例，獲得成分梯度或結(jié)構(gòu)梯度。Li等[65]采用磁控濺射技術(shù)，通過Cu、Zr的交替沉積，獲得10～100 nm不同厚度層的梯度納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)械協(xié)同響應(yīng)，承受最大屈服力達(dá)到1.9 GPa。交替濺射沉積有效解決了復(fù)合材料在獲得梯度結(jié)構(gòu)時(shí)的變形和不相容問題。

梯度納米結(jié)構(gòu)在強(qiáng)韌性協(xié)同、抗疲勞等方面表現(xiàn)出的優(yōu)良特性，為減摩改性提供了新的策略。在工業(yè)應(yīng)用中，上海寶鋼已在冷軋輥表面成功制備梯度納米表層[47]；在基礎(chǔ)理論中，變形機(jī)制的研究不斷深入，包括應(yīng)變梯度和獨(dú)特的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)[48]。但現(xiàn)階段仍有許多亟待解決的問題，例如在滑動次數(shù)達(dá)到上萬次后，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，摩擦系數(shù)急劇升高[53]。因此，如何由穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)梯度納米，并與原位內(nèi)生的涂層技術(shù)相結(jié)合，擴(kuò)展其在梯度減摩領(lǐng)域的研究應(yīng)用，是未來發(fā)展的主要方向。

2.2 表面織構(gòu)

金屬表面的物理減摩除結(jié)構(gòu)改性外，還包括表面微觀、宏觀形貌的變化，代表方法是表面織構(gòu)。表面織構(gòu)是在材料表面加工出一定尺寸和形狀的形貌，改善表面潤滑特性、減少磨損的表面處理方法[66]。

2.2.1 研究進(jìn)展與應(yīng)用

從早期發(fā)動機(jī)缸套的交叉網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)[67]，到1966年，Hamilton等[68]首次在密封軸表面蝕刻微坑，產(chǎn)生流體動壓潤滑，表面織構(gòu)一直研究應(yīng)用至今。應(yīng)用范圍從自潤滑織構(gòu)刀具、潤滑密封，到降噪減阻[69]；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從圓形凹坑排列，發(fā)展到多層復(fù)合織構(gòu)[70]。現(xiàn)階段下表面織構(gòu)與自潤滑涂層的協(xié)同強(qiáng)化也正在展開：Li等[71]在Al2O3/TiC陶瓷表面制備鯊魚皮紋理與WS2協(xié)同潤滑涂層，摩擦系數(shù)較原表面降低了84%，鯊魚皮織構(gòu)通過減少接觸面積和儲存WS2，保持了長時(shí)間的溫和磨損。激光熔覆與表面織構(gòu)相結(jié)合，也可發(fā)展織構(gòu)化減摩涂層（如圖6），底部紋理層和頂部封閉層保證了WS2等潤滑相的儲存和持續(xù)潤滑，較傳統(tǒng)非織構(gòu)涂層，織構(gòu)涂層的磨損體積降低了1/3，多層結(jié)構(gòu)減少了固體潤滑相的損失，提升了自潤滑的穩(wěn)定性[72]。

2.2.2 表面織構(gòu)減摩機(jī)制

減摩機(jī)理：在載荷不變，理論干摩擦條件下，粗糙度越大，摩擦阻力越大。但實(shí)際多為混合摩擦機(jī)制。有研究[73]表明，當(dāng)粘彈性材料表面存在一定取向的粗糙紋理時(shí)，會降低粘滯傾向。雖因接觸面積減少，接觸剛度降低，但粘滯趨向滑移會降低靜摩擦阻力，減少靜摩擦損傷。同時(shí)從空間儲存的角度，紋理織構(gòu)的減摩機(jī)制在不同摩擦狀態(tài)下主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[74]：一是干摩擦下，減少實(shí)際接觸面積，收集磨屑，減少磨屑的二次磨損；二是邊界摩擦情況，潤滑劑、潤滑油的儲存，促進(jìn)潤滑膜生成，進(jìn)行二次潤滑；三是流體摩擦?xí)r，一些楔形織構(gòu)會產(chǎn)生空化效應(yīng)，呈現(xiàn)流體動壓潤滑狀態(tài)，承載力提高。

表面織構(gòu)參數(shù)對摩擦性能也有一定影響：一是織構(gòu)形貌，為改善聯(lián)軸器的減摩性能，耿春暉等[75]設(shè)計(jì)了矩形、梯形、圓弧形、三角形微溝槽，經(jīng)測試分析，梯形與矩形微溝槽的油膜承載力和潤滑持續(xù)性相對較好。二是織構(gòu)尺寸分布以及面密度等也會影響材料表面潤滑性能。何濤等[76]通過三維仿真建立不同形狀及排布的織構(gòu)潤滑模型，相比不同形狀錯(cuò)開排布，規(guī)則排布下的承載能力更強(qiáng)，隨面積率增加，摩擦系數(shù)減小，并趨于穩(wěn)定。劉思思等[77]在鋁合金表面加工出正方形凹坑陣列，并噴涂石墨涂層，在油潤滑下，微凹坑邊長為80 μm、面密度為8.2%時(shí)，參數(shù)最優(yōu)，摩擦系數(shù)較原表面降低了67.4%。但為避免承載力下降、加劇磨損，還應(yīng)針對具體材料表面情況與應(yīng)用，對上述織構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化。

2.2.3 制備技術(shù)

根據(jù)材料表層是否去除，表面織構(gòu)的加工技術(shù)分為減材、增材制造[78]。減材制造有激光、離子束刻蝕、化學(xué)、電化學(xué)刻蝕等，增材制造有物理化學(xué)沉積、3D打印等。

激光刻蝕是指利用激光束熔化或升華表層部分材料，形成特定圖案的紋理結(jié)構(gòu)[79]。激光刻蝕加工效率高、可控性好，污染小，廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷，甚至薄膜材料的表面加工[80]。Huang等[81]利用飛秒激光器在鉛黃銅表面刻蝕十字凹槽，隨織構(gòu)間距增大（如圖7），摩擦系數(shù)先增大后減小，在不同潤滑狀態(tài)（干摩擦、水、貧油、油潤滑）下，摩擦系數(shù)和磨損量皆有較大降幅，為含鉛黃銅零件的多種工況應(yīng)用提供了紋理選擇的策略。但激光刻蝕也有一定局限性，加工有熱影響區(qū)，織構(gòu)形狀受限于激光類型、能量大小，現(xiàn)階段已發(fā)展出等離子束，提高能量密度，或納秒代替飛秒激光，縮小熱影響區(qū)[78-79]。

圖6 激光織構(gòu)與激光熔覆兩步法多層結(jié)構(gòu)示意圖[72]

圖7 不同掃描間距樣品的三維形貌[81]

化學(xué)刻蝕是指通過掩膜覆蓋表面，用酸堿溶液腐蝕裸露部分，去除材料來獲得表面紋理織構(gòu)，也可通過陽極氧化的方式制備，即熱浸漬或電化學(xué)。曹磊等[82]將45鋼浸入FeCl3與HCl混合刻蝕液，并涂覆MoS2薄膜，氧化還原反應(yīng)下形成點(diǎn)蝕孔洞，MoS2儲存其中，經(jīng)刻蝕的樣品有效潤滑時(shí)間延長，滑動3 h摩擦系數(shù)仍穩(wěn)定在0.1，提高了45鋼的耐磨減摩性，且刻蝕與薄膜的結(jié)合更易于工業(yè)化應(yīng)用?；瘜W(xué)刻蝕操作簡便、可重復(fù)性高，適用于大部分材料，但是形貌可控性不好，且溶液有污染和腐蝕危險(xiǎn)，側(cè)蝕和尖銳棱角會降低疲勞強(qiáng)度[83-84]。為減少刻蝕產(chǎn)生的缺陷，可通過調(diào)整刻蝕液比例，延長鈍化保護(hù)，或刻蝕后拋光，去除側(cè)蝕部分[84]。通過淬火提高表面強(qiáng)度[85]，或利用超聲或金屬催化劑輔助，提高刻蝕效率和方向可控性[86-87]。

為滿足使用要求，制備復(fù)合織構(gòu)，各種技術(shù)不斷改進(jìn)發(fā)展，參與織構(gòu)制備，例如激光沖擊、納米壓印和光刻等高精度織構(gòu)制備方法[83,88]。

隨著制備技術(shù)的不斷創(chuàng)新，表面織構(gòu)在刀具、軸承等工件上的應(yīng)用已逐漸成熟[89- 90]，并且仿生織構(gòu)與生物醫(yī)學(xué)的交叉結(jié)合[91]也在深入研究中，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和大規(guī)模應(yīng)用方面仍存在一些局限性：織構(gòu)凹坑在重載下仍會被磨平失效，因此需與其他表面強(qiáng)化相結(jié)合，開發(fā)多元協(xié)同機(jī)制，延長織構(gòu)使用壽命；在貧油狀態(tài)下，織構(gòu)會加劇磨損，需加深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證油膜的持續(xù)潤滑；利用仿生學(xué)，擴(kuò)展織構(gòu)在醫(yī)療、運(yùn)動安全等領(lǐng)域的規(guī)?；⒅悄芑瘧?yīng)用。

3 總結(jié)與展望

金屬表面磨損作為材料的常見失效形式，備受研究者關(guān)注，本文針對摩擦改性的2類減摩方法進(jìn)行了總結(jié)。除上述2種減摩改性和技術(shù)外，國內(nèi)外對減摩抗磨的研究應(yīng)用不斷深入，從海洋環(huán)境到人造骨骼的應(yīng)用，從化學(xué)改性到物理改性的交叉結(jié)合，以及納米級新型潤滑材料的合成等，但就目前的研究現(xiàn)狀來看，金屬表面的減摩強(qiáng)化仍存在許多問題，需要改進(jìn)發(fā)展：

1）從摩擦起源到磨損機(jī)理，理論不斷修正，但依舊沒有揭示摩擦全貌，且在不同工況下的摩擦現(xiàn)象與理論摩擦有很大的差別。未來研究者們需建立不同工況下，從原子角度到宏觀性能的多尺度模型。例如從仿生摩擦、摩擦發(fā)電、超滑等新發(fā)現(xiàn)、新角度中探究摩擦現(xiàn)象的起源，并結(jié)合各種工作環(huán)境下的數(shù)據(jù)參數(shù)，找到最符合實(shí)際應(yīng)用的減摩抗磨方法。

2）無論是自潤滑涂層還是梯度納米、織構(gòu)等結(jié)構(gòu)性減摩，在經(jīng)歷長時(shí)間摩擦下，仍會產(chǎn)生損耗和失穩(wěn)。研究者應(yīng)通過維持組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和潤滑自生來探究如何減少自耗，協(xié)同減摩耐磨性能。例如在涂層內(nèi)通過原位合成生成新潤滑相，或通過對晶界活動與應(yīng)力應(yīng)變的模擬計(jì)算，探究和突破持續(xù)潤滑與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的極限值。

3）現(xiàn)階段有關(guān)減摩方法的技術(shù)層出不窮，但大部分還無法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，且無法避免會產(chǎn)生一些表層成型缺陷。未來有關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)是多元化協(xié)同發(fā)展，開發(fā)多元潤滑體系和新制備工藝。例如熔覆與激光沖擊結(jié)合，自潤滑相協(xié)同機(jī)械變形，提高金屬表層的強(qiáng)韌性、承載力和成型質(zhì)量，使材料的減摩改性，實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、有效的工業(yè)化應(yīng)用。

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Research Review on Surface Antifriction Methods of Metals

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(School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266590, China)

In rail transit, aerospace, mining and other industries, metals are the raw materials with serious loss, and wear failure is one of the main failure forms of metal materials. Therefore, reducing the surface wear of materials has always been the research focus in the field of metal modification. Based on various friction theories, the work aims to explain how to improve the antifriction of metal surface from different angles, such as adhesion theory, design characteristics of lubricating phase, behavior of lubricating films, changes of stress and roughness, etc. According to the change of physical and chemical properties, two common forms of surface antifriction were summarized: chemical antifriction and physical antifriction.

Chemical antifriction was expounded from self-lubricating coating. The classification of self-lubricating systems was detailed, such as compounds with layered structures like MoS2and Fe, Co, Ni metal-based composite systems. The antifriction mechanism of coating during the formation of lubricating film was studied from the angle of view of adhesive friction. Antifriction methods of direct addition and in-situ synthesis were introduced. The origin and development of in-situ reactions were explored, and synthesis technologies such as self-propagating high temperature synthesis were introduced. Four methods of preparing self-lubricating coatings were shown, and their research progress, advantages and disadvantages were also introduced: research results of cold spraying and thermal spraying, and improvement of bonding strength. Scholars prepared near- hypersynovial membrane by vapor deposition. In-situ reaction and nano-modification in micro-arc oxidation were introduced. The coating of high energy beam cladding had good molding quality and was widely used in engineering applications. Future development should be reflected in new lubricating systems and technical cooperation.

Gradient nanostructure and surface texture in physical antifriction are the current research hotspots. Compared with nanomaterials and coarse-grained materials, the gradient nanostructures have excellent mechanical properties and a combination of strength and toughness. The deformation mechanism of the gradient structure is studied by exploring the changes of brittle friction layer and stress-strain in the friction process. The main techniques for the preparation of gradient nanomaterials are self nanocrystallization and non-self nanocrystallization. The techniques of surface mechanical attrition treatment and laser shocking in self-nanocrystallization are introduced, and it is pointed out that the in-situ endogenous and gradient nanostructure should be combined to stabilize the organization structure in the future. Surface texture reduces friction by different texture structures. In different frictional states, it has the functions of oil storage, abrasive dust collection and hydrodynamic lubrication. Different texture shape parameters also have certain effect on the antifriction. The commonly used preparation methods are laser etching, chemical milling, etc. The intelligent texture system of surface texture should be developed by bionics, so as to expand its applications in sports training and other fields.

The theoretical research, stability and application of technology are reviewed. The future development direction of metal surface antifriction is pointed out: tracing the origin of friction from multiple scales and perfecting the theories, exploring how to prolong the antifriction time by in-situ synthesis and microstructure activities, expanding the optimization of multicomponent systems and processes, and making the metal antifriction develop in the direction of economy and practicality.

chemical antifriction; physical antifriction; self-lubricating coating; in-situ synthesis; gradient nanostructure; surface texture; preparation techniques

2022-08-20；

2023-01-09

TG174.4

A

1001-3660(2023)10-0020-12

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.002

2022-08-20；

2023-01-09

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014EMM009)；山東科技大學(xué)橫向技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目（20210638）

Supported by Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2014EMM009); Horizontal Technology Development Project of Shandong University of Science and Technology (20210638)

國增磊, 李敏, 王淑峰, 等. 金屬表面減摩方法研究綜述[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(10): 20-31.

GUO Zeng-lei, LI Min, WANG Shu-feng, et al. Research Review on Surface Antifriction Methods of Metals[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 20-31.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：馬夢遙