陰離子結構對鎳基合金摩擦學性能的影響*

袁 磊,郭 便,2*,趙 通,雷辰陽

(1.寶雞文理學院 機械工程學院,陜西 寶雞 721016;2.陜西省機器人關鍵零部件先進制造與評估省市共建重點實驗室,陜西 寶雞 721016)

鎳基高溫合金GH4738因其良好的抗氧化性、耐蝕性能和力學性能,被廣泛應用于航空航天、石油工業、化學工程等領域,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、切削區域溫度高、加工硬化嚴重、刀具磨損嚴重等缺點[3],極大地限制了其更廣泛的應用。因此,開發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用具有十分重要的意義。離子液體是一種僅由陰陽離子構成,且在室溫或接近室溫下呈液態的有機熔融鹽。因其具有諸多優良的特性,如蒸汽壓小、熱穩定性好、揮發性低、不易燃、導電性好,且自身包含摩擦學活性元素(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[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性能以及潤滑機理,結果表明,離子液體[Li(synthetic ester)]TFSI, 2,3-INA和1,4-INA在摩擦副表面發生了摩擦化學反應,生成了潤滑膜,表現出優異的潤滑效果。文獻[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性能和潤滑機理,結果表明,離子液體和輕金屬之間發生了摩擦化學反應,離子液體表現出優異的減摩抗磨性能。文獻[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性能和潤滑機理,發現離子液體L-4P和P888p-DOSS具有優異的摩擦學性能,主要是由于離子液體與鈦合金基體之間發生了復雜的摩擦化學反應,形成了具有抗磨性能的保護膜。文獻[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性能,結果表明,多庫酯類離子液體具有良好的黏溫性能和熱穩定性,且具有優異的減摩抗磨性能,在摩擦試驗過程中形成了MgO和MgSO4等物質的摩擦化學反應膜。

傳統咪唑類離子液體具有熱穩定好、溶解能力強、結構和功能可調等優良特性而被廣泛應用于摩擦學領域。然而,關于這類離子液體作為鎳基高溫合金潤滑劑的摩擦學性能規律至今未見系統研究,如溫度、載荷等條件以及離子液體結構對該類離子液體作為鎳基合金潤滑劑的摩擦學行為規律的影響等。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/硬質合金摩擦副的摩擦學影響規律,為咪唑類離子液體應用于鎳基合金的切削加工提供理論基礎和實驗基礎。

1 試驗部分

1.1 實驗材料

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)均由中國科學院蘭州化學物理研究所提供。L-P104,L-B104與L-F104的分子結構如圖1所示。

圖1 離子液體L-P104,L-B104,L-F104的分子結構Fig. 1 Molecular structures of ionic liquids L-P104, L-B104, and L-F104

1.2 理化性質測試

采用石油產品運動黏度儀(SYP1003-III)測量3種離子液體在40 ℃和100 ℃下的運動黏度,黏度指數值根據GB/T 1995-1998《石油產品粘度指數改進劑計算法》標準進行。熱穩定性能采用STA 449F3 TGA-DSC(德國 Netzsch)同步熱分析儀進行分析。測試方法為:利用氧化鋁坩堝在氮氣氣氛下的升溫熱重分析,在升溫熱重分析過程中,檢測溫度從室溫25 ℃升高到600 ℃,升溫速率為10 ℃/min,通過計算失重隨溫度升高的百分比來評價離子液體的熱穩定性能。

1.3 減摩抗磨性能測試

減摩抗磨性能測試在SRV-V微動摩擦磨損試驗機(德國Optimol)上進行,接觸方式為球-盤模式。上試樣球為硬質合金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。試驗前所有下試樣依次用800目、1 000目和2 000目SiC砂紙進行拋光處理,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,時間為30 min,設置溫度分別為50 ℃和150 ℃。測試結束后采用德國BRUKER公司生產的光學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構對鎳基高溫合金摩擦學性能的影響,還進行了變載實驗,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后的下試樣鎳基高溫合金盤,采用美國FEI公司生產的掃描電子顯微鏡(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狀態,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理。

2 結果與討論

2.1 黏溫性能

離子液體L-P104,L-B104,L-F104的運動黏度和黏度指數如表1所示?？梢钥闯?在40 ℃和100 ℃下,L-P104和L-B104的運動黏度均高于L-F104,較高的運動黏度有利于離子液體在摩擦過程中形成更為穩定的邊界潤滑膜,且對其膜厚有一定影響[14]。黏度指數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,黏度指數越高,黏溫性能越好[16]。L-P104和L-B104的黏度指數均高于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,可能會影響其摩擦性能。

表1 離子液體L-P104,L-B104,L-F104的運動黏度和黏度指數Tab. 1 Kinematic viscosity and viscosity index of ionic liquids L-P104, L-B104, and L-F104

2.2 熱穩定性能

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,熱穩定性較好。由表2可以看出,3種離子液體重量損失50%對應的溫度分別為403 ℃,413 ℃,429 ℃,L-F104的熱穩定性能略優于其他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熱重分析結果Tab. 2 Results of thermogravimetric analysis of ionic liquids L-P104, L-B104, and L-F104

2.3 摩擦學特性

圖3(a,a1)和圖3(b,b1)分別為50 ℃和150 ℃時離子液體L-P104,L-B104,L-F104作為硬質合金/鎳基高溫合金GH4738摩擦副潤滑劑時的摩擦系數隨時間變化曲線以及相應的磨損體積?？梢钥闯?L-F104的摩擦系數在50 ℃和150 ℃時均最大,且在150 ℃時,隨著摩擦過程的進行摩擦系數不斷增大;L-B104的摩擦系數在開始階段不太穩定,隨著時間的進行摩擦系數逐漸趨于穩定,摩擦系數最小,說明離子液體L-B104的減摩性能最好;L-P104的摩擦系數在整個測試過程中較為穩定,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具有優異的抗磨性能。

圖3 離子液體L-P104,L-B104,L-F104在硬質合金/GH4738摩擦副的摩擦系數和磨損體積(a) 50 ℃,摩擦系數;(a1) 50 ℃,磨損體積;(b) 150 ℃,摩擦系數;(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 ℃時的變載實驗條件下的摩擦系數,50 ℃時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在連續變載條件下表現出極其穩定狀態,表現出優良的極壓承載能力;150 ℃時,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在連續變載條件下摩擦系數不斷增加,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膜。

圖4 離子液體在變載實驗條件下的摩擦系數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所對應的磨斑長度與寬度較大,存在有嚴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,磨損較為嚴重。

2.5 磨斑表面元素分析

為了進一步闡明離子液體L-B104的潤滑機理,利用X射線光電子能譜檢測磨斑表面的元素價態,結果如圖7所示。在50 ℃和150 ℃時,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膜,并進一步發生摩擦化學反應,生成潤滑保護膜。根據L-B104潤滑磨損表面的C1s譜圖可知,其吸收峰在285.5 eV出現吸收,對應于標準峰位置,這歸因于C-C的形成[17]。N1s譜圖在400.2 eV處出現了大面積的吸收,這歸因于C-N或氮氧化物的生成[18]。F1s在686.8 eV處出現大面積吸收,結合C1s譜圖吸收峰可以推斷出,生成了C-F[19]。B1s譜圖在188.6 eV處出現了大面積吸收峰,推測生成了一系列金屬硼化物[20]。根據O1s譜圖可知,其吸收峰在532.5 eV處,結合Fe2p譜圖在715.6 eV處出現的吸收峰可以推斷,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,其吸收峰出現在578.5 eV和857.4 eV處,結合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定性能的影響具有一定規律。其中,L-P104具有最好的黏溫特性,L-F104具有最好的熱穩定性。

(2)利用微動摩擦磨損實驗機、三維輪廓儀評價了3種離子液體作為鎳基高溫合金/硬質合金潤滑劑的摩擦學性能,結果表明,離子液體L-B104對鎳基高溫合金具有優異的減摩抗磨性能。

(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,因而具有較為優異的減摩抗磨性能。