海水泵金属陶瓷离子渗硫原位合成纳米固体润滑膜层研究

海洋资源的开发利用迫切需要研发作为动力驱动工具的海水液压系统，而采用全海水润滑方式使得液压泵的设计面临严重的摩擦磨损、泄漏、腐蚀等关键技术难题。本项目利用激光熔覆技术在海水泵摩擦副表面制备富含Fe、W、Mo等元素的镍基金属陶瓷，采用离子渗硫方法在金属陶瓷表面原位合成纳米固体润滑膜层。在金属陶瓷组织结构及晶体缺陷研究的基础上，通过实验和数值模拟方法研究金属陶瓷离子渗硫过程中硫元素的吸附、沉积和扩散，结合渗硫层的成分及组织结构研究，分析不同硫化物的合成趋势、形态、分布及与金属陶瓷的界面，阐明金属陶瓷多相复杂材料的渗硫机理；揭示金属陶瓷组织结构特征、渗硫工艺参数、表面纳米化预处理对渗硫过程的影响及催渗机制；综合评价海洋环境下金属陶瓷离子渗硫膜层的摩擦磨损、耐蚀和力学性能。该研究必然会带来固体润滑膜层理论的突破，为海水液压系统的研发奠定基础，也为具有自润滑性能的耐磨耐蚀金属陶瓷的制备提供新思路。

为解决海水液压系统中关键摩擦对偶件表面对耐磨、耐蚀及减摩性能的迫切需求，本课题首次采用激光熔覆-离子渗硫的方法制备金属陶瓷涂层硫化物固体润滑膜层。在镍基激光熔覆涂层裂纹敏感性研究的基础上，研制了富含硫化物形成元素的高硬度镍基金属陶瓷激光熔覆粉末；对激光熔覆层温度场和应力场进行了数值模拟研究，优化了激光熔覆工艺；得到了硬度高、耐磨耐蚀能力强、成型性好的激光熔覆涂层。. 利用低温离子渗硫技术在激光熔覆涂层表面制备了FeS、WS2等硫化物固体润滑膜层，并通过设计工装、采用辅助渗硫件和控制渗硫参数等措施改善渗硫质量。离子渗硫层为微纳米硫化物颗粒随机堆叠的疏松结构，渗硫层与熔覆层为锯齿交错状的化学结合形式。激光熔覆-离子渗硫层由熔覆层基体相（Fe，Ni）固溶体、Cr7C3、Ni17W和硫化物相FeS、FeS2及WS2组成。激光熔覆低温离子渗硫复合层的形成和生长是气相-固体的转化过程，包括渗硫介质的离解和活性硫化物的输送，活性含硫物质在熔覆层表面吸附和反应，活性硫原子的扩散迁移。离子渗硫时，灰黑色的硫化物优先在晶界、相界处形核，形成岛状组织，岛状组织彼此连接合并形成网状结构，网状结构横向长大的同时纵向累积，形成渗硫层。激光熔覆金属陶瓷涂层组织状态及超声加工表面纳米化预处理对固体润滑膜层形成有重要的影响，熔覆层表面纳米化不仅提高了熔覆层的硬度和渗硫层的深度还使渗硫层更加致密均匀。金属陶瓷离子渗硫复合改性层在干摩擦、油润滑和水润滑条件下均具有较好耐磨、耐蚀及减摩性能；渗硫层减摩自润滑作用的持久发挥主要源于其自身结构特性（硬度低、易变形、结构疏松），在摩擦过程中硫化物的分解、再生和向内扩散，表面氧化物膜的协同作用，以及复合改性层形成了理想摩擦表面且渗硫层与熔覆层为牢固的化学结合等多方面综合作用的结果。. 本课题研究带来了硫化物固体润滑膜层理论的突破，为具有自润滑性能的耐磨耐蚀金属陶瓷涂层的制备提供了新方法，解决了海水液压系统生产中的摩擦损伤难题，具有重大的学术价值和广阔的应用前景。