高温固体自润滑涂层的组织及性能徐娜1，2，常新春2，张甲2，侯万良2，张春智2，全明秀2（1沈阳工业大学 辽宁沈阳 110178 2 中国科学院金属研究所 辽宁沈阳 110016）①摘要：高温固体自润滑涂层由于其极好的附着性及摩擦学性能，已成为箔片空气轴承用高温固体润滑涂层的首选。
本文对国外高温固体自润滑涂层的研究进展进行了综述，重点阐述了该涂层的摩擦学性能，并与本所研制的高温固体自润滑涂层的组织及性能进行了比较。
结果表明，研制的涂层组织结构均匀，涂层结合强度明显高于国外，且低温摩擦学性能优于国外，高温摩擦学性能与国外相当。
关键词：高温固体润滑涂层；摩擦学特性；等离子喷涂Microstructure and Property of High Temperature Solid Self-Lubricanting Coatings Xu Na1,2, Chang Xinchun2, Zhang Jia2, Hou Wanliang2, Zhang Chunzhi2, Quan Mingxiu2（1 Shenyang University of Technology, Shenyang 110178, China2 Institute of Metal Research Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China）Abstract: The high temperature solid self-lubricanting coating with better adhesive property and tribological property is a good candidate to apply for the foil air bearing as solid lubricant coating. In this paper the development of high temperature solid self-lubricanting coating, especially on the tribological property, was summarized, and compared to microstructure and property of high temperature solid self-lubricanting coating fabricated by IMR. The results show that compared to coating reported by abroad, the coating studied here possesses uniform microstructure, higher adhesive strength, good low and high temperature tribological property.Key words: High Temperature Solid Lubricanting Coating; Tribological Property; Plasma Spray箔片空气轴承是动压气体轴承的主要形式，因其正常高速运行时以周围的空气作为润滑剂，大大拓宽了轴承的工作温度和速度，但是，在起动和停车阶段，由于速度低不足以形成气膜，致使轴和箔片之间产生滑动接触，引起严重磨损。
因此，必须提供一种固体润滑剂来减小摩擦和磨损[1-2]。
传统的固体润滑剂（如MoS2、石墨、PTFE）的使用温度被局限在300℃左右[3]，为了满足箔片空气轴承的使用温度（650℃）， NASA 格林研究中心从1995年开始致力于高温固体自润滑系列涂层研究。
高温固体自润滑涂层（PS304）是采用等离子喷涂技术制备的复合镀层，表现出了极好的附着性和摩擦磨损性能，已成为箔片空气轴承用涂层的首选，其成分由60%NiCr、20%Cr2O3、10%Ag 和10%BaF2/CaF2共晶体所组成，其中NiCr为粘合剂，Cr2O3为硬化剂和高温润滑剂，Ag为低温润滑剂且可提高涂层的热稳定性，BaF2/CaF2为高温润滑剂[4-5]。
目前，未见国内对高温固体自润滑涂层的研究报道。
本文综述了国外高温固体自润滑涂层的研究现状，重点介绍了该涂层的摩擦磨损性能，并将中国科学院金属研究所高温固体自润滑涂层的研究进展作以介绍。
1 高温固体自润滑涂层的组织结构及结合强度① 本文通讯联系人：徐娜（沈阳工业大学 辽宁沈阳 110178，E-mail:xn8203@）作者简介：徐娜（1982-），女，沈阳工业大学博士研究生，博士论文研究工作在中国科学院金属研究所进行。
- 21 -图1为国外制备的含有不同形貌共晶BaF2/CaF2粉末的高温固体自润滑涂层涂层的横截面SEM 相片。
两种涂层与基体结合均良好，涂层具有等离子喷涂的典型层状显微结构特征，涂层内部各组分分布较均匀，共晶BaF2/CaF2粉末的形貌对制备的高温固体自润滑涂层涂层的组织结构影响不大。
图2为金属所研制的高温固体自润滑涂层的同倍数横截面SEM相片，可见，涂层与基体结合良好，涂层也具有典型的层状显微结构，但涂层内部各组分分布更加弥散均匀，各组分熔化良好，涂层孔隙率较小。
能谱分析结果表明，涂层内灰色部分为NiCr，黑色部分为Cr2O3，白色部分为Ag，浅灰色部分为共晶BaF2/CaF2，可见，采用球形共晶BaF2/CaF2粉末的高温固体自润滑涂层内各组分分布更均匀，特别是润滑相共晶BaF2/CaF2，且含量更多，说明喷涂过程中粉末更均匀、共晶BaF2/CaF2烧损更小，这是因为角形共晶BaF2/CaF2粉末的流动性差，使得其对应的高温固体自润滑粉末的均匀性较差，且比球形共晶BaF2/CaF2粉末比表面积大，其熔化温度更低，熔化速度更快所致，这将不利于该涂层的高温摩擦磨损性能。
a）角形 b）球形图1 国外高温固体自润滑涂层横截面SEM相片（500×）Fig.1 Cross section SEM photomicrograph of high temperature solid self-lubricanting coating abroad （500×）a）角形 b）球形图2 金属所高温固体自润滑涂层横截面SEM相片（500×）Fig.2 Cross section SEM photomicrograph of IMR high temperature solid self-lubricanting coating（500×）国外采用角形、球形共晶BaF2/CaF2粉末制备的高温固体自润滑涂层结合强度分别为20.2±5.2MPa、16.6±4.0MPa。
本工作采用角形、球形共晶BaF2/CaF2粉末制备的高温固体自润滑涂层结合强度分别为21.7±3.3MPa、32.6±2.3MPa。
可以看出，制备的涂层的结合强度较高，特别是组织结构更均匀的球形共晶BaF2/CaF2粉末对应的涂层，其结合强度较国外高近一倍。
NiCrBaF2/CaF2AgCr2O3- 22 -2高温固体自润滑涂层摩擦磨损性能C. DellaCorte等[7]研究了采用等离子喷涂技术在箔片空气轴承轴颈上制备的PS304涂层的摩擦磨损性能，其中箔片磨损用箔片厚度的减小量表示，轴颈磨损用轴颈直径的减小量表示。
结果表明，每一个试验轴承都成功起停30000转以上，试验载荷保持10.1kPa不变时，试验温度从25℃到650℃，摩擦系数从1.39降到0.33，箔片磨损为8-18µm，轴颈磨损为5-20µm；试验温度保持538℃不变时，随着试验载荷的增加，摩擦系数减小，箔片与轴颈磨损加剧，载荷从20.2kPa增到53.9kPa 时，摩擦系数从0.45降到0.29，箔片磨损25-38µm，轴颈磨损为28-69µm；对轴承进行加速磨损试验，试验载荷33.7kPa，室温下，由于箔片磨损严重在48372次起停后被迫停止试验，高温下轴承循环起停100000次而没有失效，且温度越高，摩擦系数越小，箔片与轴颈磨损越小，温度为650℃时，摩擦系数及磨损最小，摩擦系数为0.16，箔片磨损为10µm，轴颈磨损为25µm。
表1为C. DellaCorte[8]采用销盘摩擦磨损试验机对PS304涂层与Inconal X-750间摩擦磨损性能试验结果，其中试验载荷4.9N，滑行速度1m/s。
结果表明，在测试温度范围内，摩擦系数较稳定，在温度为650℃时，摩擦系数最小，为0.23±0.02；销磨损率在高温下较小，但温度达到800℃时，磨损率迅速增大；盘磨损率较大，但值较稳定，在650℃时最小，为1.00±0.10×10-4 mm3/N·m。
表1 摩擦磨损结果Table1 Results of friction and wear温度（℃）摩擦系数销磨损率（mm3/N·m）盘磨损率（mm3/N·m）25 0.31±0.05 0.96±0.30×10-5 4.80±0.30×10-4500 0.25±0.02 0.32±0.50×10-5 2.80±0.30×10-4650 0.23±0.02 0.38±0.40×10-5 1.00±0.10×10-4800 0.37±0.03 6.90±2.00×10-5 2.60±0.20×10-4Malcolm K. Stanford 等[9]研究了25℃和650℃下PS304涂层分别与Inconal X-750和Cu-4Al间的摩擦磨损性能。
试验在箔片空气轴承试验装置上进行，轴承经历30000次起停，试验载荷10.3kPa，其中箔片材质为Inconal X-750，其上采用Cu-4Al涂层，轴颈上采用PS304涂层，不同试验条件下摩擦系数如表2所示，轴颈与箔片磨损量如表3所示，其中箔片磨损量为箔片厚度减小量，轴颈磨损量为轴颈直径减小量。
结果表明，室温下PS304与Cu-4Al间的摩擦系数较PS304与Inconal X-750间的摩擦系数小16%，仅为0.36，但高温下PS304与Cu-4Al间的摩擦系数较PS304与Inconal X-750间的摩擦系数大16%，为0.32；室温下，在起停循环开始阶段，PS304与Cu-4Al间的磨损严重，但循环次数达到20000次后，PS304与Cu-4Al、Inconal X-750间的磨损相当，高温650℃下，采用Cu-4Al 涂层箔片时，轴颈磨损严重，但箔片没有出现磨损现象。