Page 16 - 《摩擦学学报》2021年第3期

第 3 期 黄国威, 等: Cu663合金表面石墨-铜三维复合润滑层的构筑与摩擦学性能研究 305

microelectrodes on Cu663 alloy and textured graphite interface played a critical role in improving the friction
performance of the composition-lubrication structure in corrosion conditions.
Key words: flexible graphite paper; surface lubrication structure; friction and wear mechanism; dry conditions; seawater
conditions

机械装备运动零部件的摩擦、磨损和润滑已成为 不破坏基体材料的基础上，可以显著改善铜合金表面
影响机械系统能源效率、性能提升、服役可靠性和寿 硬度和摩擦学性能，但因铜合金本征特性，现有的表
命的共性问题. 据统计，机械运动部件摩擦、磨损致使 面改性技术仍然具有一定局限性，主要表现如下：
大约60%的机械零部件发生故障或失效，严重情况甚 (1)铜合金自身对激光吸收率低，极大限制了激光表面
至会造成灾难性事故 [1-3] . 铜合金及其复合材料因具有 改性技术在铜合金表面的应用；(2)硬质涂层/薄膜与
高导热性、耐腐蚀性、抗冲击性、优异的导电性和易于 低硬度的铜合金基体界面结合较差，应用可靠性和服
加工等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通和海洋 役寿命无法保障；(3)现有的表面改性技术在复杂形状
工程等领域的机械装备运动部件(滑动轴承、导轨、轴 零部件表面改性能力较差，且后期加工易造成表面损
瓦、动密封和刹车片等)中 [4-7] . 随着我国现代工业和高 伤. 针对以上问题，研究人员尝试通过表面改性层的
技术的快速发展，机械装备服役环境越来越严苛，对 设计、引入梯度层和工艺创新研究，一定程度上改善
运动部件用材料的服役环境、使用可靠性和服役寿命 了铜合金表面改性技术存在的不足，但相关研究缺乏
提出了更高的要求，其关键运动部件长期服役于高/低 系统性 [19-22] .
温、高/低速、强震动以及强腐蚀环境. 传统将固体润滑 基于以上背景，本文作者针对传统铜基复合润滑
剂(包括石墨、MoS 、WS 、CNTs和石墨烯等)与铜基体 材料以及铜合金表面改性技术的不足，借助激光表面
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通过粉末冶金方法机械混合烧结制备的铜基复合材 加工技术，将柔性石墨纸加工制成规则多孔结构，在
料因润滑相分布不均匀易造成服役过程中摩擦表面 铜合金表面创新设计并制备出石墨-铜三维复合润滑
[8]
局部磨损严重，摩擦系数不稳定 . 此外，润滑相的加 层结构. 系统研究了不同织构图案和不同结构参数的
入破坏了金属基体相的连续性，引入弱界面相易导致 三维复合润滑层表面与不锈钢配副在干摩擦和海水
铜基复合材料抗冲击性能较差，显著降低了铜基复合 腐蚀环境下的摩擦学性能，分析和探讨了摩擦磨损机
材料的服役可靠性和使用寿命 [9-10] . 采用传统粉末冶 制，并进一步考察了石墨-铜三维复合润滑层在海水
金方法制备的铜基复合材料已不能满足现代装备运 腐蚀环境中的耐蚀性和腐蚀机理.

动部件的性能要求.
1 试验部分
近年来，研究人员利用表面改性技术在改善铜合
金表面摩擦学性能方面开展了大量研究工作，主要有 选用商用Cu663(Cu-6Sn-6Zn-3Pb: 约6%Sn, 6%Zn,
激光涂覆/熔覆技术、电子束表面熔凝技术、离子束表 3%Pb, Cu余量)粉末(≤ 80 μm)为基体材料，厚度为
面注入技术、化学表面镀、机械合金化、表面微织构以 0.3 mm的柔性石墨纸，铜合金表面三维复合润滑层结
及表面喷涂技术 [11-18] . 研究结果表明，表面改性技术在 构整体设计思路和制备流程如图1所示，以下为试验

P

Lasering texture

P Polishing
Hot-pressing
Assembling
Laying

Fig. 1 The schematic of fabrication process for the copper-graphite surface composition-lubricating layers
图 1 表面石墨-铜复合润滑层制备工艺示意图