蘭州化物所高溫及寬溫域固體潤滑材料和涂層技術研究取得進展

  航空、航天、核工程、化工、能源動力等高新技術產業的飛速發展對苛刻工況下(高溫、寬溫域、高速、重載等)服役材料的潤滑性能提出了越來越高的要求,尤其是對高溫及寬溫域潤滑材料及技術的需求日益增加,因此研發高溫及寬溫域固體潤滑材料(涂層)及技術具有強烈的應用背景,并且高溫及寬溫域固體潤滑材料和涂層技術研究是摩擦學領域研究的熱點和難點之一,也是固體潤滑學科研究的前沿課題。

  中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室金屬及陶瓷摩擦學研究組多年來致力于高性能高溫及寬溫域固體潤滑材料和涂層的設計、制備等方面的基礎和應用研究。近年來,針對高溫煙氣、重載、微動等服役工況,研究人員發明了用于重載、高溫及寬溫域潤滑、防粘的固體潤滑復合材料及其抗磨涂層技術,獲得國家發明專利授權,專利號:ZL 201510789406.7、ZL201711158392.4、ZL 201010551636.7等。

  針對長期處于800℃及以上溫度和重載工況中的金屬機械部件表面(如大型煤化工重載高溫熱解爐的鉸接、回轉/傳動等核心機構)頻繁出現的高溫粘結/卡滯、燒蝕或劇烈高溫微動磨損等問題,研究人員設計制備了具有過渡層、梯度層和面層的多層復合結構(圖1)及高溫成膜的涂層材料,賦予了涂層與基底材料、復合涂層層間及相界面良好的結合力和耐高溫、抗熱震性能。在高溫和微動摩擦作用下,涂層與高溫合金對偶表面可發生摩擦化學反應,生成具有高溫潤滑作用的納米金屬氧化物和雙金屬氧化物(見圖2),并形成了強韌性提高15%、具有寬溫域防粘、抗磨作用的潤滑膜層(見圖3),具有極好的高溫和寬溫域(RT~800℃)潤滑功能,顯著提高了涂層高溫防粘、抗燒蝕和抗微動磨損壽命(≥10000次)。該材料和技術已成功應用于煤化工大型熱解回轉爐內長期處于重載和800℃煙氣中的高溫合金銷軸和連桿表面(圖4)。

1 等離子噴涂復合結構涂層及其寬溫域可逆摩擦學性能

2 摩擦化學反應生成潤滑性的金屬氧化物和雙金屬氧化物

3 高溫潤滑摩擦層的表面硬度和強韌性(彈性模量增加了15%

  圖4 高溫潤滑防粘涂層應用現場照片

  該研究組部分基礎研究結果相繼發表在:Surface & Coatings Technology,2018, 349, 157–165; Tribology International,2017, 114, 48–56; 2020, 151, 106470; Ceramic International 2020, 46, 13527-135358

  以上工作得到了國家自然科學基金(5157550551471181)、中國科學院、蘭州化物所和固體潤滑國家重點實驗室、以及四川省科技計劃項目(2017JZ00242018JZ0029)的支持。

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