袁 磊,郭 便,2*,趙 通,雷辰陽

(1.寶雞文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 寶雞 721016;2.陜西省機(jī)器人關(guān)鍵零部件先進(jìn)制造與評估省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 寶雞 721016)

鎳基高溫合金GH4738因其良好的抗氧化性、耐蝕性能和力學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油工業(yè)、化學(xué)工程等領(lǐng)域,主要用來制作渦輪葉片、渦輪盤、高溫緊固件等[1-2]。然而,鎳基高溫合金在切削加工過程中存在切削力大、切削區(qū)域溫度高、加工硬化嚴(yán)重、刀具磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)[3],極大地限制了其更廣泛的應(yīng)用。因此,開發(fā)高性能潤滑材料作為鎳基高溫合金潤滑劑,拓寬其在工程上的應(yīng)用具有十分重要的意義。離子液體是一種僅由陰陽離子構(gòu)成,且在室溫或接近室溫下呈液態(tài)的有機(jī)熔融鹽。因其具有諸多優(yōu)良的特性,如蒸汽壓小、熱穩(wěn)定性好、揮發(fā)性低、不易燃、導(dǎo)電性好,且自身包含摩擦學(xué)活性元素(N,P)等,使其作為一種高性能潤滑劑成為可能。近年來被用作純潤滑劑和潤滑劑添加劑開展眾多研究工作[4-6]。

文獻(xiàn)[7-9]合成了離子液體ILs [Li(synthetic ester)]TFSI,C8F17SO3P4444,2,3-INA和1,4-INA,研究了這些離子液體作為鋼-鋼、鋼-銅和鋼-鋁摩擦副潤滑劑的摩擦學(xué)性能以及潤滑機(jī)理,結(jié)果表明,離子液體[Li(synthetic ester)]TFSI, 2,3-INA和1,4-INA在摩擦副表面發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng),生成了潤滑膜,表現(xiàn)出優(yōu)異的潤滑效果。文獻(xiàn)[10-11]合成了離子液體P88816DOSS,P888PDOSS,N88816SP和P888SSP,研究其作為鋼-鎂和鋼-鋁摩擦副潤滑劑的摩擦學(xué)性能和潤滑機(jī)理,結(jié)果表明,離子液體和輕金屬之間發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng),離子液體表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能。文獻(xiàn)[12-13]研究了離子液體L-4P,P888p-DABD和P888p-DOSS作為鈦合金潤滑劑的摩擦學(xué)性能和潤滑機(jī)理,發(fā)現(xiàn)離子液體L-4P和P888p-DOSS具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能,主要是由于離子液體與鈦合金基體之間發(fā)生了復(fù)雜的摩擦化學(xué)反應(yīng),形成了具有抗磨性能的保護(hù)膜。文獻(xiàn)[14-15]研究了5種多庫酯類離子液體作為潤滑劑和潤滑劑添加劑在鎂合金上的摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明,多庫酯類離子液體具有良好的黏溫性能和熱穩(wěn)定性,且具有優(yōu)異的減摩抗磨性能,在摩擦試驗(yàn)過程中形成了MgO和MgSO4等物質(zhì)的摩擦化學(xué)反應(yīng)膜。

傳統(tǒng)咪唑類離子液體具有熱穩(wěn)定好、溶解能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)和功能可調(diào)等優(yōu)良特性而被廣泛應(yīng)用于摩擦學(xué)領(lǐng)域。然而,關(guān)于這類離子液體作為鎳基高溫合金潤滑劑的摩擦學(xué)性能規(guī)律至今未見系統(tǒng)研究,如溫度、載荷等條件以及離子液體結(jié)構(gòu)對該類離子液體作為鎳基合金潤滑劑的摩擦學(xué)行為規(guī)律的影響等。本文研究3種咪唑類離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑雙(三氯甲烷磺酰)亞胺鹽,系統(tǒng)深入研究陰離子中活性元素(P,B,S)不同對鎳基高溫合金/硬質(zhì)合金摩擦副的摩擦學(xué)影響規(guī)律,為咪唑類離子液體應(yīng)用于鎳基合金的切削加工提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究中離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(L-P104)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(L-B104)以及1-丁基-3-甲基咪唑雙(三氯甲烷磺酰)亞胺鹽(L-F104)均由中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所提供。L-P104,L-B104與L-F104的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離子液體L-P104,L-B104,L-F104的分子結(jié)構(gòu)Fig. 1 Molecular structures of ionic liquids L-P104, L-B104, and L-F104

1.2 理化性質(zhì)測試

采用石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度儀(SYP1003-III)測量3種離子液體在40 ℃和100 ℃下的運(yùn)動(dòng)黏度,黏度指數(shù)值根據(jù)GB/T 1995-1998《石油產(chǎn)品粘度指數(shù)改進(jìn)劑計(jì)算法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。熱穩(wěn)定性能采用STA 449F3 TGA-DSC(德國 Netzsch)同步熱分析儀進(jìn)行分析。測試方法為:利用氧化鋁坩堝在氮?dú)鈿夥障碌纳郎責(zé)嶂胤治?在升溫?zé)嶂胤治鲞^程中,檢測溫度從室溫25 ℃升高到600 ℃,升溫速率為10 ℃/min,通過計(jì)算失重隨溫度升高的百分比來評價(jià)離子液體的熱穩(wěn)定性能。

1.3 減摩抗磨性能測試

減摩抗磨性能測試在SRV-V微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(德國Optimol)上進(jìn)行,接觸方式為球-盤模式。上試樣球?yàn)橛操|(zhì)合金YG6(WC-Co),直徑為10 mm,硬度為90.5 HRA,下試樣為鎳基高溫合金GH4738樣塊,直徑為24 mm,厚度為7.9 mm,硬度為40.8 HRC。試驗(yàn)前所有下試樣依次用800目、1 000目和2 000目SiC砂紙進(jìn)行拋光處理,隨后采用無水乙醇超聲清洗。測試條件為:載荷為200 N,頻率為25 Hz,振幅為1 mm,時(shí)間為30 min,設(shè)置溫度分別為50 ℃和150 ℃。測試結(jié)束后采用德國BRUKER公司生產(chǎn)的光學(xué)表面輪廓儀測量下試樣盤的磨損體積。為了研究不同陰離子結(jié)構(gòu)對鎳基高溫合金摩擦學(xué)性能的影響,還進(jìn)行了變載實(shí)驗(yàn),變載條件為:初始載荷為50 N,載荷變化速率為25 N/min,載荷變化范圍為50～2 000 N。

1.4 磨斑表面分析

用丙酮超聲清洗摩擦試驗(yàn)后的下試樣鎳基高溫合金盤,采用美國FEI公司生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨斑表面形貌,利用英國Kratos公司的AXISUL-TRA型多功能X射線光電子能譜儀(XPS)分析下試樣鎳基高溫合金盤磨斑表面元素的化學(xué)狀態(tài),推斷3種離子液體作為鎳基高溫合金潤滑劑的潤滑作用機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏溫性能

離子液體L-P104,L-B104,L-F104的運(yùn)動(dòng)黏度和黏度指數(shù)如表1所示?？梢钥闯?在40 ℃和100 ℃下,L-P104和L-B104的運(yùn)動(dòng)黏度均高于L-F104,較高的運(yùn)動(dòng)黏度有利于離子液體在摩擦過程中形成更為穩(wěn)定的邊界潤滑膜,且對其膜厚有一定影響[14]。黏度指數(shù)反映離子液體的黏度對溫度的敏感性,黏度受溫度變化的影響越小,黏度指數(shù)越高,黏溫性能越好[16]。L-P104和L-B104的黏度指數(shù)均高于L-F104,說明L-P104和L-B104的黏度受溫度影響較小。以上分析表明,離子液體L-P104及L-B104均具有良好的黏溫特性,而L-P104的粘度較大,可能會(huì)影響其摩擦性能。

表1 離子液體L-P104,L-B104,L-F104的運(yùn)動(dòng)黏度和黏度指數(shù)Tab. 1 Kinematic viscosity and viscosity index of ionic liquids L-P104, L-B104, and L-F104

2.2 熱穩(wěn)定性能

離子液體L-P104,L-B104,L-F104的熱重曲線如圖2所示,熱重分析結(jié)果如表2所示。由圖2可以看出,3種離子液體的分解溫度均在350 ℃以上,熱穩(wěn)定性較好。由表2可以看出,3種離子液體重量損失50%對應(yīng)的溫度分別為403 ℃,413 ℃,429 ℃,L-F104的熱穩(wěn)定性能略優(yōu)于其他2種離子液體。

圖2 離子液體L-P104,L-B104,L-F104熱重曲線Fig. 2 Thermogravimetric curves of ionic liquids L-P104, L-B104, and L-F104

表2 離子液體L-P104,L-B104,L-F104熱重分析結(jié)果Tab. 2 Results of thermogravimetric analysis of ionic liquids L-P104, L-B104, and L-F104

2.3 摩擦學(xué)特性

圖3(a,a1)和圖3(b,b1)分別為50 ℃和150 ℃時(shí)離子液體L-P104,L-B104,L-F104作為硬質(zhì)合金/鎳基高溫合金GH4738摩擦副潤滑劑時(shí)的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線以及相應(yīng)的磨損體積?？梢钥闯?L-F104的摩擦系數(shù)在50 ℃和150 ℃時(shí)均最大,且在150 ℃時(shí),隨著摩擦過程的進(jìn)行摩擦系數(shù)不斷增大;L-B104的摩擦系數(shù)在開始階段不太穩(wěn)定,隨著時(shí)間的進(jìn)行摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定,摩擦系數(shù)最小,說明離子液體L-B104的減摩性能最好;L-P104的摩擦系數(shù)在整個(gè)測試過程中較為穩(wěn)定,介于L-F104和L-B104之間。離子液體L-B104的磨損體積明顯小于L-F104和L-P104,表明離子液體L-B104具有優(yōu)異的抗磨性能。

圖3 離子液體L-P104,L-B104,L-F104在硬質(zhì)合金/GH4738摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損體積(a) 50 ℃,摩擦系數(shù);(a1) 50 ℃,磨損體積;(b) 150 ℃,摩擦系數(shù);(b1) 150 ℃,磨損體積(測試條件:溫度:50 ℃/150 ℃,載荷:200 N,振幅:1 mm,頻率:25 Hz)Fig. 3 Friction coefficient and wear volume of ionic liquids L-P104, L-B104, and L-F104 on carbide/GH4738 friction pair(a) 50 ℃, friction coefficient; (a1) 50 ℃, wear volume; (b) 150 ℃, friction coefficient; (b1) 150 ℃, wear volume(Test conditions: temperature: 50 ℃/150 ℃, load: 200 N, amplitude: 1 mm, frequency: 25 Hz)

圖4是3種離子液體在50 ℃和150 ℃時(shí)的變載實(shí)驗(yàn)條件下的摩擦系數(shù),50 ℃時(shí)L-P104的極壓載荷約為575 N,L-B104的極壓載荷約為250 N, 而L-F104在連續(xù)變載條件下表現(xiàn)出極其穩(wěn)定狀態(tài),表現(xiàn)出優(yōu)良的極壓承載能力;150 ℃時(shí),L-F104的極壓載荷約為1 150 N,L-B104的極壓載荷約為700 N,而L-P104在連續(xù)變載條件下摩擦系數(shù)不斷增加,承載能力較好,這可能是在高載荷下,離子液體L-P104和L-F104 在鎳基高溫合金表面形成了潤滑保護(hù)膜。

圖4 離子液體在變載實(shí)驗(yàn)條件下的摩擦系數(shù)Fig. 4 Friction coefficient of ionic liquids under variable load experimental conditions

2.4 磨斑表面微觀形貌分析

3種離子液體在50 ℃和150 ℃條件下潤滑鎳基高溫合金后,其相應(yīng)磨斑微觀形貌的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖5和圖6所示。

圖5 50 ℃時(shí)離子液體潤滑鎳基高溫合金后,其磨斑表面形貌的SEM照片(a, a1: L-P104; b, b1: L-B104; c, c1: L-F104)Fig. 5 SEM photographs of the worn surface morphology of nickel-based high-temperature alloy lubricated by ionic liquids at 50 ℃ (a, a1: L-P104; b, b1: L-B104; c, c1: L-F104)

圖6 150 ℃時(shí)離子液體潤滑鎳基高溫合金后,其表面磨斑形貌的SEM照片(a, a1: L-P104; b, b1: L-B104; c, c1: L-F104)Fig. 6 SEM photographs of the worn surface morphology of nickel-based high-temperature alloy lubricated by ionic liquids at 150 ℃ (a, a1: L-P104; b, b1: L-B104; c, c1: L-F104)

由圖5可知,L-P104潤滑后的磨斑表面存在明顯的粘著磨損和較深的犁溝,L-B104潤滑后磨斑表面磨痕寬度較小,主要發(fā)生了磨粒磨損,L-F104潤滑后的磨斑表面犁溝寬度較大,粘著磨損較為嚴(yán)重。由圖6可知,高溫下L-P104潤滑后的磨斑表面存在較深的犁溝和磨粒磨損,L-B104潤滑后磨斑表面較為光滑,L-F104所對應(yīng)的磨斑長度與寬度較大,存在有嚴(yán)重粘著磨損所造成的凹坑以及磨粒磨損所造成的犁溝,并伴有材料的剝離,磨損較為嚴(yán)重。

2.5 磨斑表面元素分析

為了進(jìn)一步闡明離子液體L-B104的潤滑機(jī)理,利用X射線光電子能譜檢測磨斑表面的元素價(jià)態(tài),結(jié)果如圖7所示。在50 ℃和150 ℃時(shí),鎳基高溫合金GH4738表面的C1s,B1s,F1s,N1s,O1s和Cr2p,Ni2p,Fe2p峰的位置沒有明顯差異,離子液體L-B104與金屬表面形成有效的物理吸附保護(hù)膜,并進(jìn)一步發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng),生成潤滑保護(hù)膜。根據(jù)L-B104潤滑磨損表面的C1s譜圖可知,其吸收峰在285.5 eV出現(xiàn)吸收,對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)峰位置,這歸因于C-C的形成[17]。N1s譜圖在400.2 eV處出現(xiàn)了大面積的吸收,這歸因于C-N或氮氧化物的生成[18]。F1s在686.8 eV處出現(xiàn)大面積吸收,結(jié)合C1s譜圖吸收峰可以推斷出,生成了C-F[19]。B1s譜圖在188.6 eV處出現(xiàn)了大面積吸收峰,推測生成了一系列金屬硼化物[20]。根據(jù)O1s譜圖可知,其吸收峰在532.5 eV處,結(jié)合Fe2p譜圖在715.6 eV處出現(xiàn)的吸收峰可以推斷,磨損表面生成了氧化鐵、四氧化三鐵、氧化亞鐵等一系列鐵的金屬氧化物[21]。由Cr2p和Ni2p譜圖可知,其吸收峰出現(xiàn)在578.5 eV和857.4 eV處,結(jié)合O1s譜圖中的吸收峰可以推斷,磨損表面生成了鎳和鉻的金屬氧化物[22]。

圖7 離子液體L-B104潤滑后鎳基高溫合金GH4738磨斑表面的XPS譜圖Fig. 7 XPS spectrum of the worn surface of nickel-based high-temperature alloy GH4738 lubricated by ionic liquid L-B104

3 結(jié)論

(1)3種咪唑類離子液體L-P104,L-B104和L-F104由于陰離子差異,對其黏溫特性和熱穩(wěn)定性能的影響具有一定規(guī)律。其中,L-P104具有最好的黏溫特性,L-F104具有最好的熱穩(wěn)定性。

(2)利用微動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)、三維輪廓儀評價(jià)了3種離子液體作為鎳基高溫合金/硬質(zhì)合金潤滑劑的摩擦學(xué)性能,結(jié)果表明,離子液體L-B104對鎳基高溫合金具有優(yōu)異的減摩抗磨性能。

(3)離子液體L-B104在鎳基高溫合金表面形成有效的吸附膜,且在摩擦試驗(yàn)過程中生成包含金屬硼化物、鐵的金屬氧化物、鎳的金屬氧化物、金屬硼化物等物質(zhì)的潤滑膜。在摩擦過程中,該膜有效隔絕了摩擦副表界面的直接接觸,因而具有較為優(yōu)異的減摩抗磨性能。