姜景明，馬志飛，錢(qián)志源，黃大興，傅質(zhì)彬

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

空間站實(shí)驗(yàn)艙α 對(duì)日定向裝置是自國(guó)際空間站（International Space Station，ISS）對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（Solar Array α Rotary Joint，SARJ））產(chǎn)品，從研制并于2006 年發(fā)射入軌運(yùn)行以來(lái)，同類(lèi)型對(duì)日定向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品在國(guó)際上第2 次研制，同時(shí)也是我國(guó)該類(lèi)型產(chǎn)品的首次研制。α 對(duì)日定向裝置是目前我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)模最大（直徑接近Φ1 760 mm）、電傳輸功率最大（50 kW 以上）、設(shè)計(jì)壽命最長(zhǎng)（連續(xù)工作低軌12 年）且需長(zhǎng)期旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)類(lèi)空間機(jī)構(gòu)產(chǎn)品。

α 對(duì)日定向裝置是活動(dòng)部件，考慮到其長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工作特點(diǎn)，其相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械關(guān)節(jié)和齒輪傳動(dòng)鏈不可避免地出現(xiàn)摩擦磨損壽命降低的問(wèn)題?；顒?dòng)部件的壽命也是制約衛(wèi)星等航天器壽命的主要因素［1-2］，因此針對(duì)活動(dòng)部位摩擦接觸副潤(rùn)滑方案設(shè)計(jì)，是決定產(chǎn)品在空間環(huán)境下使用壽命的主要因素。航天器潤(rùn)滑有多種形式，20 世紀(jì)60 年代以美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和俄羅斯聯(lián)邦太空局（Russian Federal Space Agency，RKA）為代表的國(guó)際航天領(lǐng)域，在空間固體潤(rùn)滑方面做了大量研究，NASA 已經(jīng)意識(shí)到潤(rùn)滑涂層暴露于空間環(huán)境，將極大地影響其使用壽命，進(jìn)而增加國(guó)際空間站的維修成本。NASA 十分重視潤(rùn)滑涂層的耐原子氧效應(yīng)，提出二硫化鉬氧化穩(wěn)定性等概念［3-4］。我國(guó)對(duì)固體潤(rùn)滑研究起步相對(duì)較晚，從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始關(guān)注MoS2基的固體潤(rùn)滑基礎(chǔ)研究，而后不斷開(kāi)展固體潤(rùn)滑的工程應(yīng)用，包括軸承和諧波減速器齒面等［5-9］。

實(shí)驗(yàn)艙α 對(duì)日定向裝置服役期間長(zhǎng)期暴露于空間環(huán)境，需耐受高低溫交變和原子氧等輻照環(huán)境。α對(duì)日定向裝置活動(dòng)部件可分為齒輪、軸承和回轉(zhuǎn)支撐滾輪這3 類(lèi)。其中主傳動(dòng)齒輪齒面接觸應(yīng)力在360 MPa 以上，輸出端累積轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)達(dá)到6.8×104r。回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)滾輪面接觸應(yīng)力在400 MPa 以上，使用壽命達(dá)到1.7×106r。軸承使用壽命更是要達(dá)到4.0×106r 量級(jí)。由于活動(dòng)部件工作環(huán)境惡劣，承載工況苛刻，傳統(tǒng)的MoS2固體潤(rùn)滑潤(rùn)滑膜已無(wú)法滿(mǎn)足任務(wù)需求。根據(jù)活動(dòng)部件的工作壽命、載荷工況、空間環(huán)境等差異，選用新型MoS2基潤(rùn)滑膜、PM6 型潤(rùn)滑膜和Au-TiN 潤(rùn)滑膜。本文針對(duì)α 對(duì)日定向裝置長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑方案，探究潤(rùn)滑膜材料特性和摩擦學(xué)特性，同時(shí)開(kāi)展原子氧侵蝕試驗(yàn)，固液混合涂覆試驗(yàn)等系列試驗(yàn)，驗(yàn)證所選用潤(rùn)滑方案的可行性。

1 固體潤(rùn)滑膜性能分析

空間潤(rùn)滑膜的基本要求有固體潤(rùn)滑膜與金屬基材的結(jié)合力、鍍層均勻性、較低的摩擦系數(shù)，以及滿(mǎn)足任務(wù)要求的使用壽命。航天器選用的固體潤(rùn)滑膜需耐受空間環(huán)境，經(jīng)力學(xué)試驗(yàn)和熱真空試驗(yàn)后，不出現(xiàn)膜層脫落和破壞現(xiàn)象［10-14］。因此，要求金屬基材在鍍膜前，采用大于40 倍的顯微鏡檢查，鍍膜表面應(yīng)無(wú)大于10 μm 的燒蝕、銹蝕和污染物?；顒?dòng)部件鍍膜后，摩擦副真空環(huán)境下摩擦系數(shù)不大于0.1，膜層均勻性不大于10%。

1.1 MoS2基潤(rùn)滑膜摩擦學(xué)特性分析

目前空間機(jī)構(gòu)精密運(yùn)動(dòng)部件潤(rùn)滑處理中，MoS2是應(yīng)用最為廣泛的固體潤(rùn)滑潤(rùn)滑膜材料之一［15］。MoS2的潤(rùn)滑機(jī)理是其具有層狀的六方晶體結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子間以較強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，層間為較弱的范德華力結(jié)合，在剪切力作用下層間易發(fā)生滑移，進(jìn)而產(chǎn)生低摩擦［16-18］。通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化制備的工藝參數(shù)，并結(jié)合能量色散譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）元素分布面分析，MoS2基潤(rùn)滑膜中Mo、S 和Au 3 種元素在所制備的潤(rùn)滑膜內(nèi)均勻分散如圖1 所示，獲得可滿(mǎn)足使用要求的MoS2潤(rùn)滑膜。

圖1 MoS2 基復(fù)合潤(rùn)滑膜中Mo、S 及Au 元素的EDS 面分布Fig.1 EDS distributions of Mo，S，and Au elements in the MoS2-based composite lubricating film

取同批次制備的樣本編號(hào)1～10，針對(duì)潤(rùn)滑膜厚度分別進(jìn)行3 次測(cè)試，取均值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。試樣所示潤(rùn)滑膜厚度均勻，基本在5%以?xún)?nèi)，符合預(yù)期。進(jìn)行潤(rùn)滑膜劃痕試驗(yàn)測(cè)試，10 組樣本潤(rùn)滑膜的臨界載荷LC（N）（同樣滿(mǎn)足指標(biāo)要求。分析MoS2復(fù)合潤(rùn)滑膜滑動(dòng)摩擦曲線，不同試樣均表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能，摩擦系數(shù)保持在0.03～0.04 之間，耐磨壽命達(dá)到6.0×105r。試驗(yàn)結(jié)果表明，MoS2復(fù)合潤(rùn)滑膜的摩擦學(xué)性能穩(wěn)定，且性能指標(biāo)滿(mǎn)足GJB 3032—97 濺射二硫化鉬基自潤(rùn)滑潤(rùn)滑膜規(guī)范的要求。

表1 MoS2 基復(fù)合潤(rùn)滑膜的厚度Tab.1 Thicknesses of the MoS2-based composite lubricating films

1.2 Au-TiN 潤(rùn)滑膜摩擦學(xué)特性分析

實(shí)驗(yàn)艙a 對(duì)日定向裝置部分傳動(dòng)鏈直接暴露于空間環(huán)境中，空間原子氧環(huán)境對(duì)MoS2潤(rùn)滑膜潤(rùn)滑材料影響明顯，需選擇耐受原子氧性能的空間固體潤(rùn)滑材料。Au 具有化學(xué)惰性，是良好的潤(rùn)滑材料，但Au 屬于軟金屬材料，較低的硬度導(dǎo)致其耐磨性較差，為改善耐磨性，通過(guò)參雜TiN 硬質(zhì)陶瓷實(shí)現(xiàn)［19-21］。

調(diào)整和優(yōu)化制備的工藝參數(shù)，獲得潤(rùn)滑膜結(jié)構(gòu)致密、無(wú)明顯裂紋和孔隙的Au-TiN 復(fù)合固體潤(rùn)滑膜。結(jié)合EDS 面分布圖分析，潤(rùn)滑膜中Ti、N 和Au元素均勻分布如圖2 所示，表明潤(rùn)滑膜形成了TiN相和Au 相均勻分布的彌散相結(jié)構(gòu)。

圖2 Au-TiN 基復(fù)合潤(rùn)滑膜中Ti、Au 及K 元素的EDS 面分布Fig.2 EDS distributions of Ti，Au，and K elements in the Au-TiN-based composite lubricating film

觀察潤(rùn)滑層外觀，Au-TiN 復(fù)合固體潤(rùn)滑膜表觀呈金黃色、有光澤，體視顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑膜表觀均勻、不露底材、無(wú)傷痕，膜層無(wú)裂紋和針孔。取同批次制備的樣本編號(hào)1～10，試樣所示潤(rùn)滑膜厚度均勻，基本在3%以?xún)?nèi)，符合要求。進(jìn)行潤(rùn)滑膜劃痕試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2，潤(rùn)滑膜與金屬基體間膜-基結(jié)合性能符合技術(shù)指標(biāo)。分析Au-TiN 潤(rùn)滑膜滑動(dòng)摩擦圖線，摩擦系數(shù)保持在0.04～0.05 之間，耐磨壽命達(dá)到4.0×105r，同樣表現(xiàn)出較好的摩擦學(xué)性能。

表2 Au-TiN 復(fù)合固體潤(rùn)滑膜的厚度Tab.2 Thicknesses of the Au-TiN-based composite lubricating films

1.3 PM6 潤(rùn)滑膜摩擦學(xué)特性分析

PM6 是無(wú)機(jī)粘接潤(rùn)滑膜，黏結(jié)劑為硅酸鈉。硅酸鈉具有優(yōu)異的抗輻射性能，另外其中的鈉離子與硅原子均為高氧化態(tài)，難以再與氧發(fā)生反應(yīng)，因此其耐原子氧性能也較為優(yōu)異。MoS2潤(rùn)滑劑被包埋在硅酸鈉形成的硅-氧網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，對(duì)原子氧具有屏蔽效果，因此潤(rùn)滑層表現(xiàn)出較好的抗氧化性能。經(jīng)輻照試驗(yàn)考核，PM6 潤(rùn)滑膜耐電離輻照總劑量達(dá)到5×107rad（Si），耐原子氧總劑量達(dá)到7.83×1026個(gè)/m2，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)艙α 對(duì)日定向裝置活動(dòng)部件的使用要求。

開(kāi)展真空銷(xiāo)-盤(pán)摩擦試驗(yàn)，驗(yàn)證PM6 潤(rùn)滑膜摩擦學(xué)性能。試驗(yàn)中，通過(guò)法向加載施加摩擦副接觸應(yīng)力約為360 MPa，摩擦頻次為3 Hz，摩擦至可觀察到黏結(jié)固體潤(rùn)滑涂層被磨穿或摩擦系數(shù)驟增時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，PM6 潤(rùn)滑膜穩(wěn)定段摩擦系數(shù)為0.07～0.10，耐磨壽命大于2.8×105r，表明PM6 潤(rùn)滑膜具有良好的潤(rùn)滑特性，滿(mǎn)足空間潤(rùn)滑的使用需求。

圖3 PM6 潤(rùn)滑膜試片磨損試驗(yàn)后微觀形貌Fig.3 Microstructure of the PM6-based lubricating film after wear tests

2 固體潤(rùn)滑原子氧侵蝕試驗(yàn)

MoS2潤(rùn)滑膜受原子氧影響較為顯著，一般表現(xiàn)為摩擦系數(shù)增加，耐磨壽命降低。針對(duì)α 對(duì)日定向裝置所選用的MoS2潤(rùn)滑膜開(kāi)展原子氧侵蝕試驗(yàn)，原子氧輻照條件見(jiàn)表3［22］。

表3 MoS2潤(rùn)滑膜原子氧輻照試驗(yàn)和摩擦試驗(yàn)條件Tab.3 Conditions of the atomic oxygen irradiation tests and friction tests for the MoS2-based lubricating films

原子氧輻照試驗(yàn)后，采用X 射線衍射和真空球-盤(pán)摩擦試驗(yàn)機(jī)，對(duì)潤(rùn)滑膜的結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能展開(kāi)研究，并與未輻照樣品進(jìn)行比較。未輻照樣品的平均摩擦系數(shù)為0.04，輻照1、5 和10 d 樣品的平均摩擦系數(shù)分別為0.06、0.05 和0.06；未輻照樣品的耐磨壽命為2.2×105r，輻照1、5 和10 d 樣品的耐磨壽命分別為2.1×105r、2.5×105r 和2.3×105r。對(duì)比分析輻照與未輻照式樣，原子氧輻照可導(dǎo)致MoS2基潤(rùn)滑膜摩擦系數(shù)的增大［23］，但對(duì)其耐磨壽命的影響并不明顯。

分析MoS2潤(rùn)滑膜XRD 圖譜如圖4 所示，原子氧未輻照樣品的物相結(jié)構(gòu)主要為MoS2和Au；原子氧輻照1 d 樣品的物相結(jié)構(gòu)與未輻照樣品無(wú)明顯差異；原子氧輻照時(shí)間延長(zhǎng)至5 d 時(shí)，樣品XRD 圖譜中出現(xiàn)氧化鉬衍射峰；原子氧輻照時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至10 d 時(shí)，樣品中氧化鉬的含量增加。綜上所述，原子氧輻照引起MoS2基潤(rùn)滑膜的氧化，且氧化程度隨輻照時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。

圖4 原子氧輻照后MoS2潤(rùn)滑膜的XRD 圖譜Fig.4 XRD spectra of the MoS2-based lubricating films after atomic oxygen irradiation

MoS2不耐原子氧環(huán)境，易被氧化而導(dǎo)致潤(rùn)滑性降低。Au 具有良好的耐原子性能，在MoS2潤(rùn)滑膜中參雜Au，形成MoS2-Au 多復(fù)合層潤(rùn)滑膜的結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)，MoS2單層被Au 單層隔開(kāi)，表層為MoS2層，該結(jié)構(gòu)可以獲得良好的耐原子氧性能。但由于潤(rùn)滑膜表層仍為MoS2層，在原子氧輻照過(guò)程中，表層部分被氧化MoO3等氧鉬化合物，進(jìn)而導(dǎo)致輻照后試樣相對(duì)輻照前試樣摩擦系數(shù)有所增加。潤(rùn)滑膜主體部分受Au 層保護(hù)未發(fā)生變化，因此輻照前后試驗(yàn)?zāi)湍勖疽恢隆?/p>

3 固體潤(rùn)滑膜涂覆真空油脂試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)艙α 對(duì)日定向裝置傳動(dòng)鏈主要活動(dòng)部件采用固體潤(rùn)滑方案，保證在軌服役期間活動(dòng)部件處于較低的磨損水平。根據(jù)空間站總體任務(wù)要求，以及考慮空間站延壽等可能的未來(lái)需求，實(shí)驗(yàn)艙α 對(duì)日定向裝置配備有在軌補(bǔ)油機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)鏈補(bǔ)加潤(rùn)滑油的功能。但固體潤(rùn)滑膜涂覆真空潤(rùn)滑油所形成的固液混合狀態(tài)往往因潤(rùn)滑膜不同，表現(xiàn)出不同的試驗(yàn)結(jié)果，因此需驗(yàn)證固液混合狀態(tài)下潤(rùn)滑效果。

選用9Cr18 材質(zhì)的試片表面制備潤(rùn)滑方案所確定的固體潤(rùn)滑涂層，涂覆牌號(hào)為L(zhǎng)WYZ-5 PFPE 基真空潤(rùn)滑脂，標(biāo)識(shí)樣本編號(hào)為1～6。對(duì)涂敷有LWYZ-5潤(rùn)滑脂的PM6 潤(rùn)滑涂層樣件，進(jìn)行-50～+75 ℃的25.5 個(gè)熱循環(huán)試驗(yàn)。熱試驗(yàn)后擦除潤(rùn)滑油脂，觀察固體潤(rùn)滑膜外觀，如圖5 所示。涂覆油脂位置存在發(fā)亮油膜，是真空潤(rùn)滑脂中基礎(chǔ)油附著在固體潤(rùn)滑膜表面所導(dǎo)致。此外，涂覆位置未出現(xiàn)微裂紋，表面未出現(xiàn)起泡和潤(rùn)滑膜剝落的情況。對(duì)試片進(jìn)行附著力測(cè)試，所有試片潤(rùn)滑膜附著力均達(dá)到一級(jí)，與油脂涂覆前附著力一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，油脂中基礎(chǔ)油僅附著在固體潤(rùn)滑膜表面，未通過(guò)固體潤(rùn)滑膜孔隙向內(nèi)部浸潤(rùn)，因此未出現(xiàn)高低溫交變現(xiàn)固體潤(rùn)滑膜脹裂現(xiàn)象，不影響固體潤(rùn)滑膜與金屬基體結(jié)合力。

圖5 涂覆真空油脂后的MoS2潤(rùn)滑膜外觀Fig.5 Surface forms of the MoS2-based lubricating films coated with vacuum grease

對(duì)潤(rùn)滑膜涂覆真空油脂的試片進(jìn)行5.5×105次真空往復(fù)滑動(dòng)截尾摩擦試驗(yàn)。觀察試片狀態(tài)，磨痕位置仍保持固體潤(rùn)滑膜本身顏色，未出現(xiàn)裸露金屬基體的情況?；瑒?dòng)摩擦曲線持平，摩擦系數(shù)整體保持在0.1 以下，如圖6 所示。表明涂覆油脂后效用顯著，可改善摩擦副表面潤(rùn)滑狀態(tài)，有利于活動(dòng)部件延長(zhǎng)使用壽命。

圖6 MoS2 潤(rùn)滑膜的滑動(dòng)摩擦曲線Fig.6 Sliding friction curves for the MoS2-based lubricating film

4 潤(rùn)滑膜壽命試驗(yàn)驗(yàn)證

在α 對(duì)日定向裝置所選用的固體潤(rùn)滑膜材料和試片級(jí)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為充分驗(yàn)證長(zhǎng)壽命固體潤(rùn)滑方案的可行性，在真空環(huán)境下，開(kāi)展與在軌產(chǎn)品狀態(tài)一致的1∶1 真實(shí)壽命件的加速壽命試驗(yàn)工作［24-25］。

地面壽命試驗(yàn)累積完成了等效在軌19.37 年的考核。試驗(yàn)期間，α 對(duì)日定向裝置力矩輸出平穩(wěn)，傳動(dòng)功能正常，穩(wěn)定段傳動(dòng)效率在0.96～0.97 之間。試驗(yàn)后，檢查鍍膜齒輪副如圖7（a）所示，齒輪潤(rùn)滑膜呈PM6 復(fù)合潤(rùn)滑膜本色黑藍(lán)色，未見(jiàn)潤(rùn)滑膜剝落和亮色金屬基底。齒輪嚙合形成的嚙合帶在各個(gè)輪齒位置相同，寬度相近，嚙合帶附近區(qū)域有局部黑色磨屑，符合固體潤(rùn)滑膜通過(guò)散落的磨屑在摩擦副之間相互轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)有效潤(rùn)滑的一般規(guī)律?；剞D(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)滾輪金層光亮如圖7（b）所示，鍍層潤(rùn)滑狀態(tài)良好，未出現(xiàn)磨損犁溝等現(xiàn)象。針對(duì)MS2基潤(rùn)滑膜磨屑，分析X 射線光電子能譜如圖8 所示，結(jié)果顯示，主要元素為C、O、Mo、S、F 等潤(rùn)滑材料和鍍Au層，完全覆蓋了基材本底材料Fe 和Cr，表明MoS2基潤(rùn)滑膜完好，活動(dòng)部件仍在有效潤(rùn)滑的狀態(tài)下工作。

圖7 壽命試驗(yàn)后固體潤(rùn)滑涂層表觀狀態(tài)Fig.7 Apparent states of the solid lubricating films after life tests

圖8 MoS2 潤(rùn)滑膜磨屑能譜分析Fig.8 XRD spectrum of the MoS2-based lubricating film

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)空間站實(shí)驗(yàn)艙α 對(duì)日定向裝置活動(dòng)部件固體潤(rùn)滑膜展開(kāi)研究，分析MoS2基復(fù)合固體潤(rùn)滑膜和Au-TiN 復(fù)合固體潤(rùn)滑膜摩擦學(xué)特性。α 對(duì)日定向裝置潤(rùn)滑方案中所采用的固體潤(rùn)滑膜充分考慮近地軌道空間環(huán)境原子氧影響，開(kāi)展原子氧侵蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證固體潤(rùn)滑膜的耐受能力。在固體潤(rùn)滑涂覆真空油脂的試驗(yàn)中，檢驗(yàn)了α 對(duì)日定向裝置在軌補(bǔ)油后摩擦副表面的有益效果。在α 對(duì)日定向裝置長(zhǎng)壽命試驗(yàn)中，活動(dòng)部件的使用壽命遠(yuǎn)超任務(wù)要求的12 年，固體潤(rùn)滑膜完成了產(chǎn)品狀態(tài)下的工況環(huán)境考核，表明該潤(rùn)滑方案效果良好，具有可行的工程推廣價(jià)值。