鐘愛文，姚萍屏，肖葉龍，周海濱，樊坤陽，貢太敏，凌攀，劉超

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真空常溫下空間用銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦學(xué)行為及可靠性壽命

鐘愛文，姚萍屏，肖葉龍，周海濱，樊坤陽，貢太敏，凌攀，劉超

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)

在真空常溫下，對(duì)空間摩擦副進(jìn)行大負(fù)荷服役條件(400 N)可靠性壽命摩擦循環(huán)試驗(yàn)，考察空間用銅基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損特性，探討摩擦材料的可靠性壽命并揭示其摩擦磨損機(jī)理。結(jié)果表明：銅基摩擦材料在真空常溫大負(fù)荷摩擦循環(huán)試驗(yàn)條件下，摩擦磨損過程可分成三個(gè)階段：第一階段(1~1 400次試驗(yàn))，摩擦因數(shù)由0.28增加到0.61，并趨于穩(wěn)定，磨損機(jī)理以磨粒磨損為主；第二階段(1 400~2 700次試驗(yàn))，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.61左右，磨粒磨損和粘著磨損并存；第三階段(2 700次試驗(yàn)后)，摩擦因數(shù)逐漸下降，磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強(qiáng)的粘著磨損和疲勞磨損，材料表現(xiàn)為失效，整個(gè)試驗(yàn)過程中，摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)均高于0.9。研究表明，研制的銅基摩擦材料在真空常溫條件下可滿足轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和空間機(jī)械臂等的可靠性需求。

空間；摩擦材料；可靠性壽命；粉末冶金；摩擦磨損

根據(jù)中國載人航天工程“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，我國在突破并掌握空間交會(huì)對(duì)接、新一代重型運(yùn)載火箭等關(guān)鍵技術(shù)后，預(yù)計(jì)在2020年建成空間站，成為我國空間科學(xué)研究和新技術(shù)實(shí)驗(yàn)的重要基地?？臻g站的建設(shè)和維護(hù)，要依靠對(duì)接機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)等空間機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間對(duì)接、在軌組裝、燃料加注和空間維護(hù)等航天任務(wù)，而空間摩擦副是保證上述機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確工作的重要部件之一[1]。對(duì)接機(jī)構(gòu)用摩擦副承擔(dān)航天器接近時(shí)的減速制動(dòng)、航天器脫離時(shí)的反推離合及對(duì)接碰撞時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)部件的安全保護(hù)等功能[2]；空間機(jī)械臂中的關(guān)節(jié)制動(dòng)摩擦副實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)作過程中的制動(dòng)與過載保護(hù)[3?4]；轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)用摩擦副具有傳遞扭矩和過載保護(hù)的功能，可實(shí)現(xiàn)艙體的轉(zhuǎn)位和再對(duì)接[5?7]。先進(jìn)航天技術(shù)的國家/組織對(duì)空間用摩擦材料展開了研究，由于高度的技術(shù)保密，最新可參考的公開研究文獻(xiàn)較少，而傳統(tǒng)機(jī)械臂用摩擦材料難以滿足空間苛刻使用要求。美國航天飛機(jī)機(jī)械臂曾采用石棉/酚醛樹脂摩擦副，但由于酚醛樹脂材料受強(qiáng)輻照后易發(fā)生交聯(lián)、聚合和斷鏈而失效[8]，太空中的制動(dòng)性能大幅衰減[9]。歐空局研制了一種空間機(jī)械臂用陶瓷摩擦副，但尚未明確提出摩擦副的綜合安全指標(biāo)，未得到應(yīng)用驗(yàn)證[10]。俄羅斯概要性地提出一種空間用粉末冶金摩擦副，未論述摩擦副的性能指標(biāo)。中南大學(xué)率先開展了空間用銅基粉末冶金摩擦副的研制，所研制的對(duì)接機(jī)構(gòu)用摩擦副已成功應(yīng)用于“神舟”載人飛船與“天宮”航天器的在軌交會(huì)對(duì)接[11?13]。與對(duì)接機(jī)構(gòu)用摩擦副相比，空間機(jī)械臂和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)用摩擦副具有工作頻率高、在軌服役時(shí)間長(至少10年)及工作負(fù)荷大等苛刻工況特點(diǎn)，對(duì)摩擦副的使用壽命及可靠性提出了更高要 求[14?15]。與大氣環(huán)境相比，空間環(huán)境較為苛刻，具有高真空、各種宇宙射線及原子氧等特征。在世界宇航實(shí)踐中，曾多次出現(xiàn)因空間機(jī)構(gòu)中的摩擦學(xué)問題而導(dǎo)致空間任務(wù)失敗的案例[16?17]。為了保證空間摩擦副的可靠性使用，模擬空間環(huán)境下的可靠性壽命測試不容忽視。前期中南大學(xué)的研究結(jié)果表明[18]：輻射、原子氧及微重力對(duì)空間摩擦副的影響較小，而真空環(huán)境與溫度的變化對(duì)空間摩擦副的影響較大。因此，在前期研制的空間摩擦副基礎(chǔ)上，模擬轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂大負(fù)荷的苛刻服役條件，開展真空常溫下的摩擦副可靠性壽命試驗(yàn)，揭示真空常溫下空間摩擦副的可靠性壽命及摩擦學(xué)行為，為判斷機(jī)械臂、轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)等用摩擦材料能否滿足空間長服役時(shí)間的使用要求提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料制備

表1所列為制備空間用銅基粉末冶金摩擦材料的主要原料化學(xué)成分配比及其技術(shù)參數(shù)。將上述粉末均勻混合后，采用粉末冶金方法加壓燒結(jié)，燒結(jié)后材料的密度為5.58 g/cm3，孔隙度為3.7%，尺寸為80 mm×50 mm的環(huán)形試樣。摩擦材料由基體組元(Sn和Fe等強(qiáng)化的銅基體)、摩擦組元(SiO2等)及潤滑組元(MoS2、石墨等)組成，其金相顯微組織如圖1所示。

表1 摩擦材料主要原料的成分配比及其技術(shù)參數(shù)

圖1 粉末冶金摩擦材料顯微組織

1.2 測試與表征

空間摩擦副裝入圖2所示的自制多片式離合器中，空間摩擦副在服役時(shí)以彈簧(5)的壓緊力來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，通過(3)與真空系統(tǒng)外的電機(jī)相連，為摩擦副傳動(dòng)提供動(dòng)力，通過(4)與真空系統(tǒng)外的制動(dòng)器相連，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)離合器的制動(dòng)。制動(dòng)離合器實(shí)現(xiàn)摩擦材料(2)配對(duì)2Cr13不銹鋼(1) (HRC 37~ 42)的連續(xù)循環(huán)摩擦磨損性能測試，采用力矩傳感器采集摩擦力矩M，與計(jì)算機(jī)相連記錄數(shù)據(jù)，按照公式(1)將摩擦力矩?cái)?shù)據(jù)換算成摩擦因數(shù)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所列。

式中：摩擦因數(shù)；摩擦力矩；摩擦副所受的正向壓力(400 N)；摩擦材料半徑(3.25×10?2 m)；摩擦副的接觸面數(shù)(9面)。

表2 空間摩擦副在真空常溫下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1—Friction discs; 2—Counterpart discs; 3—Central shaft connected with the motor; 4—Central shaft connected with brake; 5—Spring

摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)а用平均摩擦因數(shù)μ與最大摩擦因數(shù)max的比值來表征，見式(2)，穩(wěn)定系數(shù)越大，摩擦副運(yùn)行越平穩(wěn)可靠[11]。

式中：а為摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)；μ為平均摩擦因數(shù)；max為最大摩擦因數(shù)。

采用PTT-A+300型分析天平稱量摩擦實(shí)驗(yàn)前后摩擦材料的質(zhì)量來計(jì)算磨損量，HR?150A型洛氏硬度計(jì)測量材料表面宏觀硬度。利用DM4500P型金相顯微鏡觀察分析材料微觀組織，KYKY?2800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察摩擦表面形貌與亞表面顯微組織，VEGA 3 LMU/LMH型掃描電子顯微鏡(SEM)分析磨屑，VANTAGE能譜儀(EDS)進(jìn)行能譜分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦磨損性能分析

圖3為摩擦副的摩擦因數(shù)及其穩(wěn)定系數(shù)與摩擦次數(shù)的關(guān)系曲線。隨摩擦次數(shù)增加，摩擦因數(shù)及其穩(wěn)定系數(shù)呈階段性變化。在1~1 400次試驗(yàn)階段，摩擦因數(shù)隨制動(dòng)次數(shù)增加，由0.28增加到0.61并趨于穩(wěn)定；繼續(xù)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，于1 400~2 700次試驗(yàn)階段，摩擦因數(shù)圍繞0.61左右小幅波動(dòng)，2 700次試驗(yàn)后，摩擦因數(shù)逐漸降低，波動(dòng)現(xiàn)象較為顯著。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)均高于0.9，為保證空間機(jī)構(gòu)可平穩(wěn)運(yùn)行，要求摩擦副的摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于0.90，因此摩擦因數(shù)及其穩(wěn)定系數(shù)常用于評(píng)估摩擦副的可靠性壽命。

圖3 真空常溫連續(xù)循環(huán)大負(fù)荷摩擦試驗(yàn)下摩擦材料的摩擦性能

Fig.3 Friction properties as a function of friction cycles(in vacuum at +20 ℃)

(a) Friction coefficient; (b) Stability coefficient

圖4為摩擦實(shí)驗(yàn)后磨屑形貌圖，發(fā)現(xiàn)磨屑形貌隨摩擦過程的進(jìn)行而逐漸變化，1~1 400次試驗(yàn)階段，主要為小顆粒磨屑(圖4(a))，由圖4(a)中A區(qū)放大圖可知，尺寸在微米級(jí)及以下；1 400~2 700次試驗(yàn)階段，磨屑為少量較大塊狀磨屑及分散的細(xì)小顆粒磨屑，其尺寸較第一階段大，但仍在微米級(jí)及以下(圖4(b)中B區(qū)放大圖)；2 700次試驗(yàn)后，小顆粒磨屑逐漸減少，較大塊狀磨屑逐漸增多(圖4(c))，尺寸約在50 μm 以內(nèi)。

圖4 磨屑形貌SEM圖

(a) First stage; (b) Second stage; (c) Third stage

因此，根據(jù)摩擦因數(shù)及其穩(wěn)定系數(shù)和磨屑的變化特征，摩擦材料在連續(xù)循環(huán)大負(fù)荷摩擦試驗(yàn)中，可劃成三個(gè)階段：第一階段，上升階段(1~1 400次)；第二階段，穩(wěn)定階段(1 400~2 700次)；第三階段，下降階段(2 700次后)。

圖5為每個(gè)階段摩擦材料單次摩擦平均磨損量，摩擦材料在整個(gè)制動(dòng)過程中均產(chǎn)生磨損。第一階段，摩擦材料平均每次摩擦磨損量約0.127 mg；第二階段的磨損量(約0.214 mg/time)最高，要明顯高于第三階段(約0.038 6 mg/time)。

圖6為每個(gè)階段試驗(yàn)后摩擦材料表面的宏觀硬度值。由圖可知，摩擦試驗(yàn)后，摩擦材料表面宏觀硬度值相對(duì)未試驗(yàn)材料(RM)與磨合后材料(RI)大，且隨著制動(dòng)的不斷進(jìn)行，硬度逐漸增加，但硬度分布范圍在整個(gè)制動(dòng)過程中一直保持較寬。

圖5 每個(gè)階段摩擦材料的單次平均磨損量

圖6 每個(gè)階段摩擦試驗(yàn)后摩擦材料的表面宏觀硬度

2.2 摩擦學(xué)行為與可靠性壽命分析

2.2.1 摩擦表面分析

圖7為真空常溫摩擦磨損試驗(yàn)各階段摩擦材料表面的SEM及EDS分析圖。第一階段，摩擦材料表面存在犁溝(圖7(a))，由表面全掃能譜分析(圖7(b))可知，摩擦材料表面幾乎不存在對(duì)偶材料特征元素Cr，說明第一階段對(duì)偶材料很少向摩擦材料轉(zhuǎn)移。在大負(fù)荷循環(huán)制動(dòng)下，較軟摩擦材料表面經(jīng)受對(duì)偶微凸體犁削，或表面脫落硬質(zhì)相(磨屑)的嵌入，摩擦材料表面經(jīng)反復(fù)碾壓形成犁溝。在大氣下，氧化膜能隔離材料間的直接接觸，降低摩擦因數(shù)[19]，真空下，材料表面水氣析出與氧化物等物質(zhì)脫落，是產(chǎn)生冷焊的首要條 件[20]，且冷焊程度與壓力、溫度和載荷作用時(shí)間成正比[21]。

圖7 摩擦材料摩擦表面SEM圖及EDS分析

(a), (b) First stage; (c) Second stage; (d) EDS analysis of C area; (e) Third stage; (f) EDS analysis of D area

第二階段摩擦材料表面存在少量犁溝與摩擦膜，摩擦膜將部分摩擦材料表面的孔隙涂抹，將圖7(c)中摩擦膜覆蓋區(qū)(C區(qū))進(jìn)行放大，發(fā)現(xiàn)摩擦膜表面存在少量犁溝，對(duì)C區(qū)能譜分析(圖7(d))可知，摩擦膜除摩擦材料自身Cu，Si及Sn等元素外，還存在對(duì)偶材料特征元素Cr。說明摩擦過程中，對(duì)偶材料向摩擦材料表面轉(zhuǎn)移，摩擦膜為摩擦材料與對(duì)偶材料的混合物。無氧化膜與水膜的摩擦材料與對(duì)偶材料表面易產(chǎn)生冷焊。

由圖7(e)可知，第三階段的摩擦材料表面涂抹有大量的“層片狀”摩擦膜，已基本將表面孔隙填滿，D區(qū)放大后可知，每一片層片狀摩擦膜涂抹較均勻、平整且涂抹面積較大。對(duì)D區(qū)進(jìn)行能譜分析(圖7(f))可知，第三階段摩擦膜內(nèi)幾乎不含對(duì)偶材料特征元素Cr，其成分幾乎與摩擦材料一致，說明第二階段轉(zhuǎn)移到摩擦材料表面的對(duì)偶材料及其與摩擦材料的混合物一起轉(zhuǎn)移到對(duì)偶材料表面。

圖8所示為真空常溫摩擦試驗(yàn)各階段對(duì)偶表面SEM照片及表面全掃EDS分析圖。第一階段，對(duì)偶表面存在犁溝與少量涂抹物(圖8(a))，經(jīng)能譜分析(圖8(b))可知，涂抹物中存在摩擦材料特征元素Cu，結(jié)合第一階段摩擦材料表面分析結(jié)果，表明第一階段只存在少量摩擦材料向?qū)ε疾牧系霓D(zhuǎn)移，摩擦表面并未形成第二階段與第三階段較為明顯的層片狀涂抹物。隨著摩擦次數(shù)增多，對(duì)比圖8(b)，圖8(d)與圖8(f)可知，對(duì)偶表面的Cu/Cr(原子比)逐漸增加，說明摩擦材料向?qū)ε疾牧限D(zhuǎn)移量增多。對(duì)比圖8(a)，圖8(c)與圖8(e)可知，對(duì)偶表面層片狀涂抹物面積逐漸增多，第三階段層片狀涂抹物相對(duì)第二階段較大，且第二、三階段對(duì)偶表面不存在犁溝。

圖8 對(duì)偶材料摩擦表面SEM圖及EDS分析

(a), (b) First stage; (c), (d) Third stage; (c), (d) Third stage

2.2.2 摩擦亞表面分析

圖9為真空常溫條件下摩擦材料亞表面SEM圖。第一階段，摩擦材料表面較平整，并未出現(xiàn)明顯的摩擦膜。隨摩擦次數(shù)增加，第二階段的摩擦材料表面較破碎，但相對(duì)平整，摩擦材料表面涂抹少量摩擦膜。部分鱗片狀石墨裸露于摩擦表面，減少了對(duì)偶材料與摩擦材料中金屬成分的直接接觸，降低冷焊傾向，穩(wěn)定了摩擦因數(shù)。至第三階段，摩擦層涂抹范圍擴(kuò)大，摩擦材料表面較不平整，并且在摩擦材料表面部分區(qū)域有裂紋出現(xiàn)，在大負(fù)荷循環(huán)作用下，裂紋易沿摩擦方向擴(kuò)展并不斷連接，最后在表層脫落，形成較大塊狀磨屑(圖4(c))。

2.2.3 摩擦磨損機(jī)理及可靠性壽命分析

摩擦材料在大負(fù)荷循環(huán)制動(dòng)下，表層不斷發(fā)生塑性變形(加工硬化)，致使摩擦材料硬度逐漸增加；摩擦材料為金屬與非金屬的混合物，其中金屬成分與非金屬成分的硬度差異較大，而真空中氧化膜無法形成，使得各階段摩擦材料的成分與初始材料和磨合后材料并無較大差別，因此硬度分布范圍在整個(gè)壽命過程中一直較寬。

第一階段：真空中材料表面的氧化膜破碎脫落后無法形成，導(dǎo)致摩擦材料與對(duì)偶材料直接接觸，對(duì)偶表面微凸體對(duì)較軟的摩擦材料表面產(chǎn)生犁削；同時(shí)，小顆粒磨屑繼續(xù)以第三體的形式在摩擦層內(nèi)滾滑，參與磨粒磨損，對(duì)偶表面產(chǎn)生犁削。磨粒磨損的作用下，摩擦表面磨損程度逐漸增加，摩擦因數(shù)逐漸增加。綜上所述，第一階段磨損機(jī)理為磨粒磨損。

第二階段：歷經(jīng)第一階段大負(fù)荷循環(huán)作用后，金屬間易形成原子鍵結(jié)合，局部過度摩擦，導(dǎo)致凸點(diǎn)處焊接，較軟的摩擦材料易向?qū)ε疾牧限D(zhuǎn)移，冷焊加劇，產(chǎn)生粘著磨損；對(duì)偶表面微凸體對(duì)摩擦材料表面犁削，摩擦材料進(jìn)行磨粒磨損。犁削、冷焊導(dǎo)致摩擦因數(shù)增加；石墨的暴露、MoS2燒結(jié)后分解物的存在[22]與小顆粒磨屑的“滾滑”都具有較好的減摩作用。各種因素相互制約使摩擦因數(shù)維持在0.61左右波動(dòng)。磨粒磨損與較強(qiáng)的粘著磨損使摩擦材料磨損較大。綜上所述，第二階段磨粒磨損與粘著磨損共存，空間摩擦副能滿足轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)等的可靠性需求。

圖9 摩擦材料亞表面顯微形貌SEM圖

(a) First stage; (b) Second stage; (c) Third stage

第三階段：層片狀摩擦膜與對(duì)偶材料及其表面的涂抹物直接進(jìn)行摩擦磨損，且熱對(duì)流在真空下基本消失，摩擦熱主要以熱輻射與熱傳導(dǎo)方式散失且散失困難，當(dāng)摩擦累積接觸時(shí)間較長，摩擦層內(nèi)積累大量的熱，表面升溫，冷焊加劇，粘著磨損加??；材料表面無犁溝，說明不發(fā)生磨粒磨損；摩擦材料表面裂紋在摩擦力與正壓力共同作用下逐漸擴(kuò)展，連接至表層后剝落并形成磨屑，磨屑易在大負(fù)荷碾壓中破碎并形成相對(duì)較小的塊狀磨屑，摩擦表面出現(xiàn)疲勞磨損。第三階段磨損量低于第二階段，說明第三階段表層材料的脫落量(磨屑)相對(duì)第二階段小，脫落物在兩種材料表層間相互轉(zhuǎn)移。綜上所述，第三階段產(chǎn)生粘著磨損和疲勞磨損。

3 結(jié)論

1) 空間摩擦副在真空常溫下的大負(fù)荷連續(xù)循環(huán)摩擦試驗(yàn)，可分成三個(gè)階段：第一階段(上升階段，1~ 1 400次)，摩擦因數(shù)由0.28增加到0.61；第二階段(穩(wěn)定階段，1 400~2 700次)，摩擦因數(shù)維持在0.61左右波動(dòng)；第三階段(下降階段，2 700以后)，摩擦因數(shù)逐漸減小。整個(gè)試驗(yàn)過程中，摩擦因數(shù)穩(wěn)定系數(shù)均高于0.9，摩擦材料一直處于磨損狀態(tài)。

2) 第一階段，摩擦副的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損；第二階段，摩擦副的磨損機(jī)理為磨粒磨損和粘著磨損；第三階段，摩擦副的磨損機(jī)理為粘著磨損和疲勞磨損。

5) 研制的摩擦副在真空常溫下可滿足轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)、空間機(jī)械臂的可靠性需求。

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(編輯 高海燕)

Tribological behaviors and reliability life of Cu-based friction materials for space applications in vacuum at room temperature

ZHONG Aiwen, YAO Pingping, XIAO Yelong, ZHOU Haibin, FAN Kunyang, GONG Taimin, LING Pan, LIU Chao

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

The friction and wear characteristics of Cu-based powder metallurgy friction materials were evaluated on a space friction testing machine at high load (400 N) in vacuum at room temperature. The reliability life and wear mechanism of friction materials were investigated and revealed respectively. The experimental results show that there are three stages during the friction process. At the first stage, the friction coefficient increases from 0.28 to 0.61, and the abrasive wear is the dominant wear mechanism. In the second stage, the friction coefficient remains steadily (~0.61), and the dominant wear mechanism is the mixture of abrasive wear and adhesive wear. At the third stage, the friction coefficient begins to decrease. The dominant wear mechanism transforms to be the mixture adhesive wear and severe fatigue wear, leading to the material failure. During the test, the stability friction coefficient keeps up 0.9. The friction pairs can meet the demand of indexing mechanism and space manipulator in vacuum at room temperature.

space; friction materials; reliability life; powder metallurgy; friction and wear

TF125

A

1673-0224(2018)01-110-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475476，51175516)；中南大學(xué)研究生自主探索創(chuàng)新項(xiàng)目(2014 zzts023，2015zzts029)；湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)類資助項(xiàng)目(2015GK1034)；粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(621020006)

2017?03?29；

2017?06?28

姚萍屏，研究員，博士。電話：0731-88876614；E-mail: ppyao@csu.edu.cn