研究背景

　　先进的海洋工程装备，既是加强海洋国防力量的重要保障，也是发展海洋蓝色经济的必要支撑，是当下国家核心竞争力最主要的体现之一。然而，由于海洋环境的特殊性，海洋工程装备关键零部件的损伤与陆上装备相比要严重的多，其服役寿命与陆上装备相比将会有大幅度缩减。海洋工程装备中的一些重要的运动系统均是直接暴露在海水介质中运行的，如深潜器的浮力调节系统、天然气井口的自给控制系统、潜艇艉轴及其滑动支撑轴承、海水液压传动系统、水下作业机器手、深海勘探和开采装备等，都涉及摩擦磨损与腐蚀的交互作用问题。人们对海洋环境下动态磨损与腐蚀的交互作用所导致的损伤机理的认识尚不到位，加之洋流流速或航速的提高等动态环境因素变化，目前的研究现状无法指导深海抗磨蚀材料的设计和制造的理论。同时，海水介质中无法使用油脂润滑剂，而低粘度海水介质又难以提供低速重载情况下的有效润滑，海水环境摩擦副磨蚀现象所带来的摩擦功耗和材料损伤非常严重，由此伴生的振动与噪音更是影响海洋装备系统机动和隐身性能的核心问题。海水环境关键机械摩擦副零部件磨蚀机理研究及表界面抗磨减摩材料体系已成为制约现代化海洋工程装备高效、稳定和长寿命服役的瓶颈。

图1. 海洋装备发生磨蚀后的照片

　　研究现状及趋势

　　对于工业零部件的腐蚀问题，传统技术多采用耐蚀钢、工程陶瓷以及聚合物等耐蚀材料来应对。对于工业零部件的磨损问题，传统技术多采用热处理、合金化以及表面改性等强化措施来解决。然而，不锈钢材料难以产生热处理硬化，工程陶瓷加工成型性能差，聚合物先天硬度强度低，单一选材和处理方法在海水环境摩擦副零部件的延寿与增效技术领域受到极大限制。此时，研究开发适用于海水环境的具有较强耐腐蚀磨损特性的功能涂层，是控制海水环境关键摩擦副零部件腐蚀磨损关联性损伤现象以提高海洋工程装备稳定性和服役寿命最为可行的技术途径。

　　涂层材料在海水环境中腐蚀磨损行为影响因素的复杂性给基础研究工作带来了极大难度，是现代摩擦学基础研究领域的一大挑战。难度之一是材料体系的复杂性。对于整体材料，不同元素组成和物相结构决定了其腐蚀磨损界面不同的物理化学性质，从而带来钝化层、第三体以及转移膜等物质的形成、转化与作用，并引起材料腐蚀磨损关联性损伤行为的不同表现。与整体材料相比，涂层材料除了自身元素组成和物相结构的影响因素外，其摩擦界面物理化学变化还将受到缺陷水平、膜基结合以及基体材料性质等方面的影响，使得影响其腐蚀磨损关联损伤行为的自身因素异常复杂。难度之二在于海水组分的复杂性。海水介质与简单的酸、碱、盐溶液相比组分异常复杂，阳离子有H⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺等，阴离子有Cl-、SO₄^2-、Br^-、HCO^3-、CO₃^2-、F^- 等，不同组分或离子对材料腐蚀磨损界面的物理化学变化（如钝化膜的生成、破坏与再生等）将会产生不同的作用效果，进而对腐蚀磨损行为产生不同的影响。Frutos等人将腐蚀磨损总体积损失Vt分为机械磨损分量Vm和电化学腐蚀分量Ve，研究了304不锈钢表面CrN涂层在平衡电解质溶液中的腐蚀磨损行为。所采用的模型为：

　　V_t=V_m+V_e

　　式中Vt由腐蚀磨损后扫描磨痕轮廓获得，Vm由法拉第定律来确定，Ve即为总体积损失与电化学作用体积损失的差值。研究结果认为CrN涂层的腐蚀磨损体积损失的主要贡献来源于机械作用，而腐蚀磨损损伤机制主要受表面氧化膜的形成与破坏控制。

　　磨蚀的特点

　　由于材料受海水的腐蚀作用并非简单的静态腐蚀问题，除了压力、温度、介质性质等静态环境因素外，摩擦运动对材料的腐蚀具有不可忽视的加速作用。而且，腐蚀的增大反过来又导致材料磨损的增大，形成了腐蚀介质特有的磨损与腐蚀交互作用现象，形成了力学载荷和化学腐蚀环境共同作用下的海洋材料摩擦磨损现象。这也是现有海洋装备运动部件所面临的一个重大的科学和技术难题之一。腐蚀与磨损的交互作用理论在1949年由Zelder首次提出，腐蚀磨损产生的材料总流失量远大于纯腐蚀（静态腐蚀）与纯磨损（机械磨损）之和，腐蚀与磨损的交互作用如图2所示。

　　图2 腐蚀与磨损交互作用图解

　　腐蚀与磨损的交互作用计算关系如下所示：

　　式中，W-磨损造成的材料的总流失量，W‘corr-磨损条件下的腐蚀分量，W’wear-磨损条件下的磨损分量，Wcorr-纯腐蚀失重（静态腐蚀），ΔWc-磨损对腐蚀的加速（腐蚀增量），Wwear-纯磨损失重，ΔWw-腐蚀对磨损的加速（磨损增量）。

　　W= Wcorr+ Wwear+ΔW

　　ΔW=ΔWc+ΔWw

　　ΔW-交互作用引起材料的失重。

　　研究方法

　　将电化学工作站与摩擦磨损功能集于一体，发展原位和动态腐蚀参数的监测技术，建立检测标准，为磨蚀现象的量化及理论研究的深入提供实验基础。针对海水环境中长程磨损工况下的力学与化学交互作用机理， 采用往复摩擦接触方式，发展摩擦磨损化学、力学、物理等性能基本参量的实验表征方法，包括：介质化学离子成分、pH值、温度、摩擦副相对运动速度、载荷等；针对特定海水电化学环境下，发展载荷、速度、振幅等力学因素与阴极电流密度等基本参量在微动接触条件下对材料磨蚀行为影响的研究，为海水环境材料磨蚀过程中的摩擦化学机理研究奠定基础。在海水环境抗磨减摩涂层材料设计方面，根据不同因素对材料海水磨蚀行为影响及摩擦化学机理，借助喷涂、PVD/CVD、复合材料涂层等技术，建立对涂层化学组成、微观多相结构、微观组织致密性以及表面组织化的主动设计和精确调控方法，为海水环境中减摩耐磨的高性能涂层服役体系的开发提供实验基础。

　　综上所述，采用实验室模拟和现场试验相结合手段，研究海洋环境腐蚀和流体冲刷耦合作用下，海洋工程材料的磨蚀、密封行为。将已有海洋环境摩擦磨损试验机扩展为可完成常压和高压模拟海洋环境的摩擦试验装置，同时实现动态摩擦与电化学腐蚀参数的原位测量。在此基础上，通过改变摩擦副材料、运动条件、压力条件等关键因素，比较磨损与腐蚀的交互作用的数据变化量，研究多种海洋装备金属和非金属摩擦副材料的在模拟复杂海洋环境下的磨蚀行为，研究环境-腐蚀-磨损耦合机制，掌握多因素作用下材料的损伤失效行为和过程，分析腐蚀量及磨损量的变化规律，依据材料损失程度划分不同区域进行损伤机理分析，了解不同材料在海水中的腐蚀及磨损特性，通过广泛的数据积累绘制出典型耐海水腐蚀材料的环境-磨蚀关系图，总结出规律并形成海洋环境中的材料磨蚀理论，提出严酷或极端海洋环境下的运动配副原则，为复杂海洋环境摩擦学材料的设计制备和应用奠定基础。综合研究海水静、动条件下的腐蚀问题，拓展海洋环境下的腐蚀理论和摩擦学理论，充分认识腐蚀与磨损交互作用问题对最终发展有效的耐磨耐蚀材料与防护技术将是极为重要的。