基于原位XPS分析的微动磨损摩擦氧化机理研究

Fretting wear is one of complex wear modes which combined with four basic wear mechanisms including abrasive wear, adhesive wear, fatigue wear and tribo-chemical action (tribo-oxidation). Up to the present, however, its tribo-oxidation mechanism is still unclear. X-ray photoelectron emission microscopy is one of important methods for the tribo-chemical analysis. In this study, on the pioneering fretting wear XPS in-suit analysis device, the running condition fretting map and material response fretting map will be built up under varied atmospheres (vacuum, oxygen partial pressure, different humidity air, inert gases) for different materials contact pairs, different coatings and surface treatment layers. And then, the XPS in-suit quantitative analysis of different fretting regimes and damage stages will be done in detail. The mechanisms of the initiation, development and evolution of tribo-oxidation of fretting wear will be studied, and the characteristics and behaviors of oxidative debris also will be explained. Based on the quantitative analysis of dissipated energy between the contact interfaces and the analysis of chemical reaction thermodynamics and kinetics, the theory model of tribo-oxidation of fretting wear will be established. This study is not only the important development of research method of tribo-chemistry, but also is of great significance on the development of fretting wear basic theory, and at meantime, it has an important reference value on the engineering application of anti-fretting damage.

微动磨损是集磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、摩擦化学作用（摩擦氧化）四种基本磨损机制于一身的复杂磨损形式，然而，其摩擦氧化作用机理迄今仍不十分清楚。X射线光电子能谱（XPS）是摩擦化学分析的重要手段，本研究在首创的微动磨损XPS原位分析装置上，针对不同的材料配副、不同涂层和表面改性层，在不同气氛环境（真空、氧气分压、不同湿度大气、惰性气氛）下，通过运行工况微动图和材料响应微动图的建立，进行不同微动运行区域和损伤阶段的损伤表面XPS原位定量分析；研究揭示微动磨损过程中摩擦氧化的发生、发展和衍化过程及机理，阐明氧化磨屑的特性及其行为，并在摩擦界面耗散能定量分析、反应热力学和动力学分析基础上，建立微动磨损摩擦氧化机理的理论模型。本研究不仅是摩擦化学研究手段上的重要发展，而且对发展微动磨损基础理论具有重要科学意义，同时也对抗微动损伤的工程应用具有重要参考。

微动磨损是集磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、摩擦化学作用（摩擦氧化）四种基本磨损机制于一身的复杂磨损形式，然而，其摩擦氧化作用机理迄今仍不十分清楚。本项目在微动磨损XPS 原位分析装置研发基础上，建立不同典型材料在不同气氛下的微动运行工况微动图，通过XPS原位定量分析，揭示摩擦氧化发生、发展、衍化的过程及机理，以及不同摩擦氧化产物（磨屑）和材料表面氧化膜层的特性和对磨损过程的影响。主要研究如下：1）系统研究了典型材料在不同气氛环境下的微动图，研究表明气氛环境对材料微动运行区域产生了显著影响，并总结了各材料微动图特性；2）基于原位XPS分析，研究了微动不同运行区域及不同摩擦阶段下的磨斑摩擦化学状态，结果表明不同运行区域及摩擦阶段下的磨斑表面产物不同，钛合金微动磨损过程中Ti单质，以及TiO和Ti2O3的产生导致了磨损加剧，而工业纯铁微动磨损过程中所产生的Fe2O3 以及FeO具有很好的减缓磨损作用；3）系统开展了大气、真空、氧气、惰性气体、氮气气氛环境下微动磨损原位XPS对磨斑表面摩擦化学的定量分析，确定了各气氛环境下不同运行区域磨斑表面产物，探讨其与磨损机理和磨损性能的相关性；4）系统研究了钛合金、工业纯铁及镁合金不同试验工况下氧化磨屑的特性及行为，总结并分析了磨斑表面氧化磨屑的类别、形状、大小及分布对摩擦学行为的影响作用；5）在钛合金Ti6Al4V基体上制备了氧化膜，探讨了氧化膜微动磨损过程中的特性，结果表明大气环境下氧化膜具有很差的保护作用，但是真空环境下具有很好的抗微动磨损性能；基于实验结果，开展了有限元模型，探讨并计算微动磨损过程中的能量耗散，建立了微动磨损摩擦氧化机理理论。研究成果不仅是摩擦化学研究手段上的重要进展，而且丰富和发展了微动磨损研究内涵，对抗微动损伤工程应用具有重要的指导意义。