陳雨晴，余敏，曹開(kāi)，陳輝

（西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川省先進(jìn)焊接及表面工程研究中心，成都 610063）

材料與物體在使用過(guò)程中，表面產(chǎn)生接觸，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生摩擦，從而導(dǎo)致磨損。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因磨損造成的能源浪費(fèi)約為全世界生產(chǎn)能源的1/3～1/2，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失引起了全球性的關(guān)注[1]，因此對(duì)機(jī)械表面的耐磨性能提出了更嚴(yán)格的要求。尤其對(duì)于銅及銅合金而言，其強(qiáng)度低，耐磨性差，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。采用合適的技術(shù)手段，在銅基體中摻入潤(rùn)滑劑、增強(qiáng)相，制備的銅基潤(rùn)滑材料可顯著提高減摩耐磨性。

潤(rùn)滑劑可減小機(jī)械零件接觸表面間的摩擦和磨損。傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑（潤(rùn)滑油、脂）廣泛應(yīng)用于大多數(shù)工業(yè)和工程領(lǐng)域，但在高溫、重載、真空、強(qiáng)腐蝕等嚴(yán)苛環(huán)境下，粘性下降且性能衰減，導(dǎo)致材料耐磨性能下降，同時(shí)造成環(huán)境污染[2]。固體潤(rùn)滑劑具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，使用溫度范圍廣，利用率高，環(huán)境污染小的特點(diǎn)，能夠有效解決上述問(wèn)題[3-4]。添加石墨和二硫化鉬（MoS2）等固體潤(rùn)滑劑的金屬基復(fù)合涂層，在摩擦領(lǐng)域逐漸顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。摩擦過(guò)程中，自潤(rùn)滑金屬基復(fù)合涂層表面形成的潤(rùn)滑膜，能夠減小剪切應(yīng)力，降低摩擦系數(shù)，具有良好的耐磨性和高負(fù)載能力[5]。燒結(jié)、熱噴涂、激光熔覆等技術(shù)常用于制備銅基固體潤(rùn)滑涂層，能保持固體潤(rùn)滑劑與基材之間良好的粘附性，保證接觸面之間的有效潤(rùn)滑，降低磨損[6]。

銅基自潤(rùn)滑涂層具有良好的力學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐腐蝕和潤(rùn)滑減磨等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于電力電子、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域[7-9]。但是隨著高速鐵路、大推重比航天器等高新技術(shù)的發(fā)展，受電弓滑板、陀螺儀、離合制動(dòng)器等零件面臨著高速、高溫、重載等嚴(yán)苛工況環(huán)境，因此迫切需要開(kāi)發(fā)新型銅基固 體自潤(rùn)滑材料[10]。摻入高硬度、高強(qiáng)度、優(yōu)異耐磨性以及化學(xué)穩(wěn)定性的增強(qiáng)相，是提高銅基自潤(rùn)滑涂層強(qiáng)度和耐磨性的有效途徑之一[11-12]。深入研究銅基自潤(rùn)滑涂層的摩擦學(xué)性能及其潤(rùn)滑機(jī)制，對(duì)高新科技領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

1 涂層組分

1.1 基體相

基體相決定了涂層材料的整體性能，具有承擔(dān)載荷的作用，通常以耐高溫、抗氧化、高強(qiáng)度的金屬材料為主[13]。銅基自潤(rùn)滑涂層的基體相為銅及其合金，具有良好的塑性變形能力和優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械制造、微電子等領(lǐng)域[14]。銅具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，可以保證摩擦過(guò)程中散熱良好，有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，全球70%的銅粉被用于制造減摩耐磨材料[15]。

1.2 固體潤(rùn)滑劑及特性

固體潤(rùn)滑劑需要具有易剪切、易粘附、時(shí)效變化小、適應(yīng)溫度范圍寬、無(wú)毒無(wú)害等性能特點(diǎn)[16]。圖1為銅基自潤(rùn)滑材料發(fā)生摩擦?xí)r，固體潤(rùn)滑劑的作用機(jī)理[5]。摩擦開(kāi)始前，固體潤(rùn)滑顆粒在銅基體中均勻分布；摩擦過(guò)程中，在摩擦副擠壓應(yīng)力的作用下，低剪切強(qiáng)度的固體潤(rùn)滑劑被緩慢擠壓至材料表面，并逐漸形成潤(rùn)滑膜層，有效降低了材料與摩擦副之間的摩擦系數(shù)，具有良好的潤(rùn)滑性。

圖1 固體潤(rùn)滑劑作用機(jī)理[5] Fig.1 Mechanism of solid lubricant[5]

表1 常用固體潤(rùn)滑劑及其特點(diǎn)[18-23] Tab.1 Commonly used solid lubricants and their characteristics[18-23]

常用于Cu 基自潤(rùn)滑涂層的固體潤(rùn)滑劑及其特點(diǎn)如表1 所示。層狀結(jié)構(gòu)的石墨、硫化物、六方氮化硼（h-BN）等固體潤(rùn)滑劑存在較弱的層間剪切力和平 面范德華力，這是其擁有較好耐磨性的原因。在400 ℃左右，氟化物發(fā)生脆性向塑性的轉(zhuǎn)變，從而獲得潤(rùn)滑性，并且隨著溫度升高，潤(rùn)滑性能逐漸增強(qiáng)[17]。

環(huán)境在決定材料摩擦學(xué)性能方面起著至關(guān)重要的作用，在一種環(huán)境中摩擦力極低且使用壽命長(zhǎng)的材料，在其他環(huán)境中可能很快磨損失效。石墨通過(guò)吸附環(huán)境中的水分或氣體（＞100 mg/L），鈍化懸垂的共價(jià)鍵和基面邊緣，達(dá)到潤(rùn)滑效果[24]。所以，在潮濕環(huán)境中，石墨通常可以提供較低的摩擦系數(shù)，但在真空和干燥的環(huán)境中，卻失去了潤(rùn)滑作用。另外，潮濕環(huán)境中，濕度和氧氣的存在使MoS2和WS2層狀結(jié)構(gòu)顯著劣化，導(dǎo)致較高的摩擦系數(shù)和極短的磨損壽命[25]。研究表明，單一固體潤(rùn)滑劑難以在多種環(huán)境和操作條件下提供足夠的潤(rùn)滑。采用兩種或多種類(lèi)型固體潤(rùn)滑劑的組合（如DLC-Au-MoS2、MoS2-Sb2O3-Au、WS2-G），可能改善單一固體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果，擴(kuò)大使用范圍[26-28]。Scharf 等人[27]報(bào)道了MoS2-Sb2O3-Au 涂層在干燥氮?dú)夂统睗窨諝庵械牡湫湍Σ列袨?，發(fā)現(xiàn)Sb2O3和Au的加入使MoS2的摩擦學(xué)行為具有環(huán)境穩(wěn)定性（圖2）。

1.3 增強(qiáng)相及特性

制備性能優(yōu)良的銅基自潤(rùn)滑復(fù)合涂層的關(guān)鍵在于合適的增強(qiáng)相顆粒。增強(qiáng)相需要具備硬度高、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn)，并與基體相和潤(rùn)滑相界面形成良好結(jié)合[13]。銅基復(fù)合涂層的增強(qiáng)相主要有陶瓷顆粒、合金元素（Al、Cr）、碳纖維、碳納米管等，其中陶瓷顆粒最為常用。研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷顆粒作為復(fù)合涂層的承載組分，不僅提高了復(fù)合涂層的強(qiáng)度，而且提高了復(fù)合涂層的耐磨性[29-30]。表2 列舉了部分陶瓷增強(qiáng)相顆粒的相關(guān)特性。

圖2 MoS2-Sb2O3-Au 涂層和沉積在Si 襯底上的純MoS2 涂層在干氮和50%RH 空氣中的典型摩擦行為[27] Fig.2 Typical friction behavior of MoS2-Sb2O3-Au coating and pure MoS2 coating deposited on Si substrate in dry nitrogen and 50% RH air[27]

表2 常用陶瓷增強(qiáng)相顆?；咎匦訹31-32] Tab.2 Basic characteristics of commonly used ceramic reinforced phase particles[31-32]

向質(zhì)地較軟、摩擦易粘附的純銅基體中引入陶瓷顆粒，由于硬質(zhì)相的“錘擊效應(yīng)”，材料的硬度、強(qiáng)度得到了顯著提高[33]。摩擦過(guò)程中，嵌入磨損軌跡的陶瓷顆粒提供了硬化的摩擦層并減少了接觸面積，從而降低磨損。涂層中Ultrafine grains（超細(xì)晶粒）的形成區(qū)域，證明陶瓷顆粒具有高承載能力，可以防止連續(xù)滑動(dòng)產(chǎn)生的塑性變形，提高了耐磨性（圖3）[11]。

圖3 100 次循環(huán)時(shí)磨損軌跡的亞表面顯微照片[11] Fig.3 Subsurface micrographs of wear track after 100 cycles[11]: a) Cu-MoS2-WC coating; b) Cu-MoS2 coating

2 制備方法

目前，國(guó)內(nèi)外制備銅基自潤(rùn)滑復(fù)合涂層的“熱”技術(shù)有：粉末冶金、激光熔覆、氣相沉積、電火花沉積、熱噴涂等。冷噴涂作為一種新型的涂層制備技術(shù)，逐漸走入人們的視野。

2.1 “熱”技術(shù)制備方法

2.1.1 粉末冶金

粉末冶金技術(shù)包括壓制成形和高溫?zé)Y(jié)等工藝過(guò)程，將配制好的料漿均勻涂覆在基體表面，經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)，可得到涂層。Qian 等人[28]通過(guò)粉末冶金熱壓法，制備了在空氣和真空環(huán)境下均能正常工作的新型雙潤(rùn)滑劑（WS2+石墨）滑動(dòng)電接觸銅基復(fù)合材料，但真空條件下，石墨失去潤(rùn)滑性，使WS2成為唯一的潤(rùn)滑劑，導(dǎo)致磨損率較高。Chen 等人[34]利用粉末冶金法制備了一種新型Cu-聚四氟乙烯自潤(rùn)滑復(fù)合材料。當(dāng)水浴溫度為60 ℃時(shí)，樣品中PTFE 的含量最 高，摩擦磨損測(cè)試結(jié)果證明了該新型材料具有優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能。楊振偉[35]通過(guò)熱壓燒結(jié)技術(shù)，在45 鋼表面制備了添加強(qiáng)化金屬Ni、碳纖維和固體潤(rùn)滑劑石墨的銅基復(fù)合涂層。由于增強(qiáng)相與潤(rùn)滑相的協(xié)同效應(yīng)，復(fù)合涂層摩擦性能良好。粉末冶金涂層與基體之間為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度低，涂層質(zhì)量差，不適用于高壓、重載以及腐蝕環(huán)境[6]。但粉末冶金技術(shù)克服了噴涂設(shè)備成本高、鍍膜應(yīng)用局限等缺點(diǎn)。

2.1.2 氣相沉積

圖4 磨損機(jī)理示意圖[36] Fig.4 Schematic presentation of the wear mechanism[36]: a) Cu-graphite; b) Cu-CNFs

氣相沉積法主要通過(guò)化學(xué)反應(yīng)/物理過(guò)程（如蒸發(fā)、濺射等）使涂層材料氣化、沉積，形成涂層。Larionova 等人[36]采用一步化學(xué)氣相沉積法，在相同條件下，制備了Cu-碳纖維和Cu-石墨復(fù)合材料。碳沉積導(dǎo)致了基體晶粒細(xì)化（圖4），使Cu-33%碳纖維（以體積分?jǐn)?shù)計(jì)）材料的磨損是純銅材料的1/8，是Cu-33%石墨試樣的1/2。在2016 年的“新技術(shù)和可靠結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu)高級(jí)材料國(guó)際會(huì)議”上，Zharkov 等人[37]介紹了脈沖磁控濺射系統(tǒng)制備的復(fù)合固體潤(rùn)滑 劑Cu-Mo-S 涂層，對(duì)偶面上轉(zhuǎn)移膜的形成使銅摩擦副的磨損率降低為原來(lái)的1/38。Cao 等人[38]利用磁控濺射技術(shù)制備了Cu-MoS2涂層和Cu-Al-MoS2涂層，探究了Al 對(duì)Cu-MoS2涂層的作用以及熱處理對(duì)涂層性能的影響。Cu-Al-MoS2涂層的最低摩擦系數(shù)略高于Cu-MoS2涂層，但Al 的引入提高了涂層韌性，涂層的耐磨性得到了提高。Cu-Al-MoS2涂層退火后的綜合性能有所提高，證明熱處理有利于涂層固溶體的強(qiáng)化。氣相沉積技術(shù)制備的涂層較薄且處理周期長(zhǎng)，并且與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度低，涂層易脫落而過(guò)早失效。

2.1.3 電火花沉積

電火花沉積技術(shù)（ESD）利用了瞬時(shí)火花放電釋放出的大量能量，使部分電極材料熔滲到基體表層，形成致密的沉積層。青島科技大學(xué)的曹同坤團(tuán)隊(duì)致力于電火花沉積技術(shù)制備銅基自潤(rùn)滑涂層的研究，在低碳鋼（AISI1045）表面制備了Cu/h-BN 自潤(rùn)滑涂層[39]，在高速鋼表面制備了Cu/Cu-MoS2自潤(rùn)滑涂層[40]，在硬質(zhì)合金表面制備了Cu/h-BN自潤(rùn)滑涂層[41]。涂層表面由大量熔化的電極材料和固體潤(rùn)滑劑固化形成的細(xì)小顆粒組成，呈明顯濺射形貌，凹凸不平，并存在氣孔，具有典型的電火花沉積特征。電火花沉積銅基自潤(rùn)滑涂層的磨損表面，具有顯著的滑移剪切和磨粒磨損特征。自潤(rùn)滑涂層的凸起部分經(jīng)多次循環(huán)摩擦后被“抹平”，并填滿(mǎn)凹坑和氣孔，使磨損表面變得光滑平整，可以在一定程度上修復(fù)局部損壞，如圖5a 所示[42]。如圖5b 所示，隨著摩擦?xí)r間增加，涂層產(chǎn)生疲勞裂紋，硬顆粒從磨損表面脫落，在各種應(yīng)力作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致涂層損傷；同時(shí)，脫落的硬顆粒滲入涂層，造成擦傷；此外，硬顆粒的犁溝作用增大了摩擦力，使涂層不斷損壞，最終整個(gè)涂層產(chǎn)生大面積的破壞[41]。在電火花沉積制備自潤(rùn)滑涂層的過(guò)程中，電極和工件發(fā)生劇烈擴(kuò)散和重新合金化，涂層與基體形成牢固的冶金結(jié)合， 最終獲得具有極強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度和良好自潤(rùn)滑性能的厚涂層。

圖5 涂層磨損表面形成示意圖 Fig.5 Schematic diagram of coating wear surface formation: a) slip and shear phenomenon[42]; b) abrasive wear phenomenon[41]

2.1.4 激光熔覆

激光熔覆技術(shù)是利用高能激光束將涂層材料與基體表面一起熔化，形成熔池，然后快速冷卻凝固，形成具有良好冶金結(jié)合的熔覆層。Wu 等人[43]采用激光熔覆技術(shù)在鋼材上制備了連續(xù)、致密且缺陷很少的Cu-9Ni-6Sn 合金涂層，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，消除了富錫沉淀物，顯著改善了局部耐蝕性。Adak 等[44]使用具有較高輸出效率的二極管激光器作為熱源，在4 kW 功率下，制備了Cu-30Ni 熔覆層，由于低溫和快速吸熱，限制了相分離，在低至200 ℃的溫度下，復(fù)合涂層仍顯示出良好的固溶性。吳浩[45]通過(guò)預(yù)置法制備出高厚度（～3 mm）、低摩擦（～0.132）、耐腐蝕的Cu-石墨梯度復(fù)合材料，設(shè)計(jì)了一種改善現(xiàn)有激光熔覆技術(shù)試驗(yàn)效率低，不能連續(xù)制備多層熔覆層，不能控制預(yù)置粉末厚度等弊端的補(bǔ)粉裝置。研究發(fā)現(xiàn)，在高能激光的作用下，固體潤(rùn)滑劑出現(xiàn)氧化分解以及上浮飛濺的現(xiàn)象，通常殘留在涂層中的潤(rùn)滑相較少，因而在制備激光熔覆自潤(rùn)滑耐磨涂層時(shí)，必須考慮如何最大程度地保留熔池中的潤(rùn)滑劑[46]。目前，對(duì)于激光熔覆自潤(rùn)滑銅基復(fù)合涂層的研究極少，原因是銅基材料的物理化學(xué)性質(zhì)（膨脹系數(shù)大、與自潤(rùn)滑材料潤(rùn)濕性差、對(duì)激光的反射高等）以及激光熔覆自身技術(shù)高溫特點(diǎn)，導(dǎo)致難以制備出性能良好的銅基自潤(rùn)滑涂層[45]。

2.1.5 熱噴涂

熱噴涂技術(shù)利用某種熱源（主要是等離子體、激光、電弧或火焰）將噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，然后高速?lài)娚涞交w表面形成涂層。Kobayashi等人[47]采用火焰噴涂技術(shù)研制了Cu-Sn-CaF2自潤(rùn)滑涂層。如圖6a 所示，復(fù)合涂層的磨損率隨CaF2含量的增加而減小，硬度隨CaF2含量的增加而增加，這說(shuō)明相對(duì)磨損率的降低是涂層硬度提高所致。理論上，隨著硬度的增加，磨損量減小，鋼球的損傷會(huì)增加。但圖6b 所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼球的損傷隨著硬度的增加而減小，這證明了CaF2具有優(yōu)良的自潤(rùn)滑性能。Cao 等人[12]通過(guò)熱噴涂技術(shù)制備了軟硬相間的Cu-MoS2-WC 復(fù)合涂層，當(dāng)摩擦副作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同的涂層厚度會(huì)導(dǎo)致不同的剪切應(yīng)力和變形，硬層（WC 涂層）承受較大載荷，軟層（MoS2和Cu 涂層）具有較低的剪切強(qiáng)度，交替的涂層有效地保護(hù)了基體。支龍等人[48]通過(guò)熱噴涂技術(shù)制備了青銅-石墨自潤(rùn)滑涂層，涂層在對(duì)偶件表面形成了固體潤(rùn)滑膜，極大地降低了摩擦系數(shù)，減輕了涂層的粘著磨損現(xiàn)象。甄文柱等人[49]利用等離子噴涂技術(shù)，在2Al2 鋁合金基體上成功制備了Cu-MoS2復(fù)合涂層，其真空摩擦系數(shù)顯著減小至0.05～0.15，展現(xiàn)了突出的真空潤(rùn)滑性能。

圖6 CaF2 含量的影響[47] Fig.6 Influence of CaF2 content[47]: a) on the relative wear rate and hardness of the composite coating; b) on the damage area of the steel ball

熱噴涂技術(shù)同樣面臨著巨大挑戰(zhàn)[50-51]。一方面，整個(gè)噴涂過(guò)程在較為惡劣的高溫環(huán)境下進(jìn)行，粉末會(huì)與燃燒剩余的工作氣體及周?chē)h(huán)境氣體進(jìn)行氧化反應(yīng)。等離子噴涂Cu-MoS2復(fù)合涂層的XPS 結(jié)果表明，涂層中出現(xiàn)了摩擦過(guò)程中常以磨粒形式存在的硬質(zhì)相MoO2和MoO3（圖7）。另一方面，由于不完全的填充以及遮擋效應(yīng)，涂層中不可避免地出現(xiàn)了一定的 孔隙。因此為了熱噴涂銅基自潤(rùn)滑涂層技術(shù)的有效應(yīng)用，應(yīng)控制涂層孔隙缺陷和防止涂料氧化反應(yīng)。

圖7 等離子噴涂Cu-MoS2 復(fù)合涂層表面拉曼分析圖譜[49] Fig.7 Raman spectrum of plasma sprayed Cu-MoS2 composite coating[49]

總之，對(duì)于自潤(rùn)滑銅基復(fù)合涂層，傳統(tǒng)的“熱”技術(shù)（如粉末冶金和熱噴涂）引入高溫，會(huì)導(dǎo)致固體潤(rùn)滑劑的分解和相變。并且因熱膨脹系數(shù)的差異，高溫過(guò)程中，潤(rùn)滑相容易與基底之間產(chǎn)生裂紋而過(guò)早地剝離脫落，最終失去潤(rùn)滑作用。如圖7 所示，S 的出現(xiàn)說(shuō)明高溫下MoS2顆粒出現(xiàn)了一定的分解。燒結(jié)過(guò)程中，固體潤(rùn)滑劑MoS2常與Cu 反應(yīng)，生成使MoS2失效的Cu2S 和CuMo2S3等脆性化合物，最終導(dǎo)致磨損率提高[52-53]。從圖8 可以看出，復(fù)合材料的磨損率隨著MoS2添加量的增加而顯著增加，這種情況出現(xiàn)的原因被認(rèn)為是MoS2的分解失效和脆性CuMo2S3的存在[53]。上述問(wèn)題可以通過(guò)使用低能量的過(guò)程來(lái)克服，故近年來(lái)冷噴涂銅基自潤(rùn)滑涂層的研究受到了廣泛關(guān)注。

圖8 潤(rùn)滑劑添加量對(duì)燒結(jié)Cu-Sn 復(fù)合材料磨損率的影響[53] Fig.8 Influence of lubricant addition on the wear rate of sintered Cu-Sn composite[53]

2.2 冷噴涂技術(shù)

2.2.1 冷噴涂制備Cu 基潤(rùn)滑涂層的現(xiàn)狀

冷噴涂是通過(guò)壓縮氣體將噴涂粉末加速到超音速狀態(tài)，顆粒以完全固態(tài)形式高速碰撞基體表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，沉積并形成涂層。冷噴涂在較低的溫度下進(jìn)行沉積，沉積顆粒在撞擊基板前，沒(méi)有出現(xiàn)熔化或熱軟化現(xiàn)象，不會(huì)受到明顯的熱作用，因而原始粉末的組織結(jié)構(gòu)及物化性質(zhì)可以得到很好的保留，基本不存在氧化、成分燒損、晶粒長(zhǎng)大、成分偏析等問(wèn)題[54]。在制備銅基自潤(rùn)滑涂層方面，可有效克服以上“熱”技術(shù)問(wèn)題。江勝波等人[55]利用冷噴涂技術(shù)在鋁合金基體表面沉積了Cu 涂層，并與電弧噴涂進(jìn)行了對(duì)比（見(jiàn)表3），結(jié)果表明，冷噴涂Cu 涂層的致密度、結(jié)合強(qiáng)度、電阻率均優(yōu)于電弧噴涂。

2009 年，Yamada 等人[56]在國(guó)際熱噴涂大會(huì)上介紹了采用冷噴涂技術(shù)制備的耐磨性良好的Cu-MoS2復(fù)合涂層。Zhang 等人[57]也通過(guò)冷噴涂法制備了Cu-MoS2涂層，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(1.8±0.99)%的MoS2可使涂層摩擦系數(shù)從Cu 涂層的0.7 左右顯著降低至0.14～0.15。Ling 等人[58]通過(guò)合理的粉體設(shè)計(jì)和石墨預(yù)處理，采用低壓冷噴涂技術(shù)制備了具有良好潤(rùn)滑性能（摩擦系數(shù)～0.12）和高承載能力（最大赫茲接觸壓力～950 MPa）的石墨增強(qiáng)銅基自潤(rùn)滑復(fù)合涂層。大量研究證明，冷噴涂銅基自潤(rùn)滑復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)致密，未見(jiàn)明顯裂紋或缺陷，潤(rùn)滑劑與金屬基體之間界面結(jié)合良好（圖9）。

表3 冷噴涂與電弧噴涂Cu 涂層性能對(duì)比[55] Tab.3 Performance comparison of cold sprayed and arc sprayed Cu coating[55]

圖9 冷噴涂復(fù)合涂層截面形貌圖 Fig.9 Cross-sectional morphology of cold sprayed composite coating: a) Cu-MoS2 composite coating[57]; b) Cu-Zn-graphite composite coating[58]

Zhang 等人[11]進(jìn)一步研究了增強(qiáng)相對(duì)復(fù)合涂層潤(rùn)滑性能的影響，冷噴涂Cu-MoS2-WC 復(fù)合涂層與冷噴涂Cu-MoS2涂層相比，WC 顆粒的存在有助于冷噴涂Cu-MoS2-WC 復(fù)合涂層形成轉(zhuǎn)移膜，使磨損痕跡光滑，降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性。Chen 等人[59]通過(guò)低壓冷噴涂技術(shù)在 304 不銹鋼基體上沉積了Cu-Al2O3-石墨固體潤(rùn)滑涂層，保持了良好機(jī)械性能和粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)Al2O3增強(qiáng)相顆粒進(jìn)一步提升了銅基涂層的潤(rùn)滑性能。Beckmann 等人[60]使用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)會(huì)優(yōu)先激活多晶金屬表面適當(dāng)取向的晶粒（軟晶粒），形成突起。WC和Al2O3等增強(qiáng)相顆粒在滑動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生塑性變形，可作為突起形成的“極硬晶粒取向”，因此增強(qiáng)相顆粒的加入，使銅基自潤(rùn)滑涂層磨損更小、更均勻，如圖10 所示。

圖10 增強(qiáng)相對(duì)銅基潤(rùn)滑涂層的作用機(jī)制 Fig.10 Mechanism of reinforcement in the copper-based lubricating coating: a) schematic diagram of Cu-lubricant phase composite coating wear; b) schematic diagram of Cu-lubricating phase-reinforced phase composite coating wear

表4 比較了冷噴涂與各類(lèi)“熱”技術(shù)在制備銅基自潤(rùn)滑復(fù)合涂層時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。冷噴涂具有傳統(tǒng)涂層制備技術(shù)不可替代的優(yōu)勢(shì)，擁有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。但是冷噴涂也存在不足，如成本高，通常在噴涂鋼基、鎳基或高溫合金時(shí)使用氦氣來(lái)提高噴涂質(zhì)量。此外，冷噴涂涂層固有的高硬度、低塑性特點(diǎn)，也限制了其廣泛的工業(yè)應(yīng)用。目前，只有少量涂層制品在航空、航天、武器裝備等軍工領(lǐng)域獲得初步應(yīng)用[61]。但冷噴涂擁有低溫高速沉積的特點(diǎn)，這使得可噴涂材料廣泛，且通過(guò)材料的“復(fù)合”，可有效控制涂層的性能，仍使冷噴涂技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力。

2.2.2 冷噴涂銅基自潤(rùn)滑涂層的發(fā)展趨勢(shì)

冷噴涂具有低溫、高速沉積的特點(diǎn)，制備的涂層呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)[67]，冷噴涂過(guò)程對(duì)基體熱影響較小、噴涂效率高，目前已作為一種獨(dú)特的修復(fù)方法，廣泛應(yīng)用在航天航空、汽車(chē)及制造領(lǐng)域[68-70]。此外，冷噴涂技術(shù)已成為一種新興的增材制造技術(shù)手段[71-72]。冷噴涂銅基自潤(rùn)滑涂層由基體相顆粒、潤(rùn)滑相顆粒及增強(qiáng)相顆粒組成，通過(guò)改變各相比例，可有效調(diào)控復(fù)合涂層性能。但與其他冷噴涂復(fù)合涂層存在相同的問(wèn)題[73]，如冷噴銅基自潤(rùn)滑涂層中，各相含量與復(fù)合粉末含量有偏差，當(dāng)增強(qiáng)相含量超過(guò)一定比例后，會(huì)發(fā)生破碎等現(xiàn)象。冷噴涂制備的銅基自潤(rùn)滑涂層存在一系列關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，例如：潤(rùn)滑相、增強(qiáng)相及金屬相的顆粒含量及分布問(wèn)題，界面結(jié)合問(wèn)題，協(xié)同摩擦磨損機(jī)制以及涂層轉(zhuǎn)移膜的形成和失效機(jī)理。

表4 冷噴涂與“熱”技術(shù)制備銅基自潤(rùn)滑復(fù)合涂層性能對(duì)比[40,62-66] Tab.4 Performance comparison of copper-based self-lubricating composite coatings prepared by cold spraying and “thermal” technique[40,62-66]

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，關(guān)于銅基自潤(rùn)滑涂層的研究不斷增加，主要集中在固體潤(rùn)滑劑的選用、涂層的制備技術(shù)兩方面，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展。銅基自潤(rùn)滑涂層領(lǐng)域在未來(lái)的研究關(guān)鍵是制備低摩擦、高承載、長(zhǎng)壽命、環(huán)境自適應(yīng)強(qiáng)的高性能潤(rùn)滑材料，解決零件在不同環(huán)境下的磨損失效問(wèn)題。當(dāng)前，將兩種或多種類(lèi)型的固體潤(rùn)滑相/增強(qiáng)相混合，是延長(zhǎng)材料在多種嚴(yán)苛環(huán)境下服役壽命的有效措施。研發(fā)創(chuàng)新銅基自潤(rùn)滑復(fù)合涂層體系，向銅基體中添加合金元素改善熱物性能，提高涂層整體潤(rùn)滑性，揚(yáng)長(zhǎng)避短各類(lèi)涂層制備技術(shù)，采用冷-“熱”技術(shù)的有效復(fù)合，如冷噴涂-激光、冷噴涂-熱等靜壓、冷噴涂-攪拌摩擦加工等復(fù)合技術(shù)，都可進(jìn)一步提升涂層性能。