前言
航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的核心組成部分，是影響航空工業(yè)發(fā)展水平的重要因素。緊固件作為連接和固定航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部分的重要構(gòu)件，其性能的高低限制著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。由鎳基高溫合金制成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件，在工作過程中摩擦因數(shù)較大，過大的摩擦因數(shù)使得緊固件在摩擦過程中產(chǎn)生大量的熱，界面溫度瞬間升高，高溫會(huì)將兩個(gè)表面進(jìn)行焊接導(dǎo)致螺栓和螺母咬死現(xiàn)象發(fā)生。長期處于高溫（650 ℃以上）工況下，螺栓和螺母咬死現(xiàn)象更是頻發(fā)。螺栓和螺母咬死問題嚴(yán)重阻礙了航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件的發(fā)展，已成為亟待解決的難題。為了降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)中螺栓和螺母咬死問題的發(fā)生頻率，科研工作者不斷探索高溫環(huán)境下的緊固件保護(hù)技術(shù)。涂層保護(hù)技術(shù)作為緊固件保護(hù)技術(shù)中的主流方法[1-3]，可以通過降低螺栓和螺母之間的摩擦因數(shù)來達(dá)到保護(hù)的目的[4-5]。在眾多高溫保護(hù)涂層中，銀因具有 962 ℃的高熔點(diǎn)和優(yōu)秀的潤滑特性、較低的剪切強(qiáng)度成為緊固件保護(hù)涂層優(yōu)先選擇的材料[6-7]。目前針對銀涂層在高溫環(huán)境中的應(yīng)用已有較為成熟的研究。
TRONCI 等[8]在研究過程中發(fā)現(xiàn)，工作溫度在450 ℃以下時(shí)，銀作為一種軟涂層，剪切強(qiáng)度低，處于高溫環(huán)境時(shí)，臨界剪切應(yīng)力僅為 0.588 MPa[9]，能夠允許較大的塑性變形量，是很好的固體潤滑劑，可以在接觸區(qū)起到一定的潤滑作用[10-11]。在運(yùn)動(dòng)副相對運(yùn)動(dòng)的過程中，處于接觸面的銀涂層會(huì)發(fā)生形變從而減小運(yùn)動(dòng)副的摩擦因數(shù)，因此采用銀涂層對航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件進(jìn)行保護(hù)，理論上可以有效減少咬死現(xiàn)象[12]。但由于銀涂層自身特性與電鍍制備方法的原因，它存在高溫下硬度不足、厚度不均勻、結(jié)合強(qiáng)度差等缺點(diǎn)。高溫環(huán)境下銀的硬度不足 0.5 GPa，涂層表面容易發(fā)生過度形變，承載能力差[13-14]；過厚的銀涂層會(huì)因承受載荷過大而發(fā)生過度形變或剝落，導(dǎo)致接觸面積增大，摩擦因數(shù)增大[15]；在經(jīng)受溫度循環(huán)時(shí)，表面狀態(tài)缺乏可逆性[16]，螺栓和螺母咬死問題仍會(huì)出現(xiàn)，鍍銀螺栓和螺母咬死失效如圖 1 所示。現(xiàn)有涂層無法滿足實(shí)際的使用需求。
本文在系統(tǒng)介紹航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件苛刻工況下主要磨損失效形式的基礎(chǔ)上，從涂層的制備工藝和涂層成分出發(fā)，綜述銀涂層和復(fù)合增強(qiáng)涂層制備技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有高溫涂層的應(yīng)用現(xiàn)狀提出可能應(yīng)用于緊固件的高溫替代涂層，并通過對現(xiàn)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)失效緊固件的分析總結(jié)提出目前銀涂層在實(shí)際使用過程中存在的問題。最后，對緊固件涂層保護(hù)技術(shù)未來應(yīng)用前景提出了自己的思考和建議。
1、 緊固件中存在的磨損失效形式
航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件是航空領(lǐng)域的重要部件，其常用材料為鎳基高溫合金。長期工作于高溫環(huán)境（650 ℃）的緊固件會(huì)因微動(dòng)磨損、磨粒磨損、氧化磨損和粘著磨損而失效[17-18]。其中，微動(dòng)磨損是由于緊固件材料在接觸壓力和小幅度橫向位移下從表面上去除而發(fā)生的，磨粒磨損是由于緊固件配副中較硬材料與較軟材料的摩擦作用而發(fā)生的，氧化磨
損是由于緊固件材料與周圍氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生的，粘著磨損是由于緊固件配副在滑動(dòng)摩擦?xí)r接觸面局部發(fā)生金屬粘著而發(fā)生的[19-21]。微動(dòng)磨損、磨粒磨損、氧化磨損和粘著磨損問題導(dǎo)致涂層出現(xiàn)脫落、凹坑甚至剝落；氧化會(huì)使涂層材料表面生成氧化物，附著力變差，影響涂層性能，加劇磨損[22]。
1.1 緊固件基材磨損失效形式
1.1.1 微動(dòng)磨損
微動(dòng)磨損是緊固件在工作過程中不可避免的[23]。LEE 等[24-25]通過研究發(fā)現(xiàn)，在航空航天緊固件中，微動(dòng)磨損是最常見的一種磨損形式。在進(jìn)行了更深入的研究后，LEE 等還發(fā)現(xiàn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，極小振幅是引起緊固件微動(dòng)磨損的主要原因，微動(dòng)磨損會(huì)導(dǎo)致接觸表面發(fā)生形變，甚至出現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)變化、應(yīng)力集中、裂紋萌生等問題。此外，微動(dòng)磨損還會(huì)導(dǎo)致緊固件配副材料損失，TONG 等[26]在確定緊固件與配副之間磨損損失時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著微動(dòng)循環(huán)次數(shù)增加，磨損量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，如圖 2 所示。微動(dòng)磨損會(huì)導(dǎo)致螺紋磨損失效[27-28]。
1.1.2 磨粒磨損
碎屑會(huì)隨著擰緊和磨損過程的進(jìn)行而逐漸增多，導(dǎo)致磨粒磨損[29-30]。HUA 等[25]在反復(fù)擰緊和微動(dòng)磨損后的螺紋表面觀察到明顯的碎屑和磨損顆粒。磨粒磨損會(huì)對螺紋產(chǎn)生損傷。ECCLES W 等[29]對反復(fù)擰緊之后的螺紋表面進(jìn)行掃描電鏡觀察時(shí)還發(fā)現(xiàn)，其他磨粒磨損存在的跡象，如圖 3 所示，區(qū)域（a）中螺母材料轉(zhuǎn)移到了螺栓螺紋上，區(qū)域（b）中螺栓材料出現(xiàn)了損失，區(qū)域（c）中存在明顯的磨粒磨損現(xiàn)象，區(qū)域（d）中磨損顆粒殘留在了螺紋表面。LIU 等[31]在對緊固件進(jìn)行加載循環(huán)測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，螺紋因磨粒磨損的影響，產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的損傷，此外，在觀察緊固件樣件的表面形貌時(shí)發(fā)現(xiàn)磨粒磨損導(dǎo)致螺紋表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的溝槽[32]。磨粒磨損除對螺紋表面造成損傷之外，磨損顆粒鑲嵌在銀涂層中形成磨粒還會(huì)造成涂層失效[33-34]。
1.1.3 氧化磨損
除微動(dòng)磨損和磨粒磨損之外，有氧環(huán)境中緊固件存在著氧化磨損[35]。LIU 等[36]在采用 EDS能譜分析對受壓最嚴(yán)重的螺紋表面進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，磨損最嚴(yán)重的地方 O 元素含量出現(xiàn)明顯升高，說明表面因氧化產(chǎn)生了磨損失效。在多次循環(huán)加載之后的螺紋表面也有類似的現(xiàn)象發(fā)生。YU 等[37]的研究證明循環(huán)載荷導(dǎo)致的螺紋磨損一部分是由氧化磨損引起的。針對類似問題，ZHANG 等[35]同樣也在緊固件樣件螺紋表面檢測到較高含量的O 元素，部分區(qū)域形成了氧化膜，且部分氧化物碎片堆積在了螺紋表面，如圖 4 所示。由此可見，氧化磨損不僅會(huì)損傷螺紋材料，還會(huì)使磨粒增多，磨粒磨損加劇。此外，覆蓋于螺紋表面的涂層表面及其材料也會(huì)受氧化磨損的影響，存在失效風(fēng)險(xiǎn)。
1.1.4 粘著磨損
緊固件在大載荷或循環(huán)載荷工作條件下還會(huì)出現(xiàn)粘著磨損[38]。ZHOU 等[38]在觀察受載為 6 kN 的螺紋表面的微觀損傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，粘著磨損導(dǎo)致表面出現(xiàn)了犁削現(xiàn)象，如圖 5 所示。粘著磨損除了會(huì)在表面形成犁削現(xiàn)象外，還會(huì)產(chǎn)生粘著磨損顆粒，為了觀察這種現(xiàn)象，HAN 等[39]還采用 3D 輪廓儀對摩擦學(xué)試驗(yàn)后樣品表面進(jìn)行了觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣品表面出現(xiàn)了配副顆粒。粘著磨損除了會(huì)對螺紋表面產(chǎn)生損傷外，還會(huì)使涂層脫落導(dǎo)致減磨效果下降。
綜上，緊固件在工作過程中會(huì)受到微動(dòng)磨損、磨粒磨損、氧化磨損、粘著磨損的影響，且在微動(dòng)磨損的影響下，未涂覆保護(hù)涂層的螺紋表面會(huì)因螺栓和螺母相互擠壓出現(xiàn)變形；長時(shí)間的微動(dòng)磨損會(huì)使形變加劇，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致螺紋表面出現(xiàn)凹坑。參與磨粒磨損的磨屑主要在微動(dòng)磨損、氧化磨損等過程中產(chǎn)生，與外界接觸也會(huì)引入部分顆粒。磨粒磨損的發(fā)生會(huì)使螺紋表面出現(xiàn)侵入性破壞，除發(fā)生形變之外，部分高硬度或小顆粒還會(huì)嵌入螺紋表面，并且參與了表面裂紋的產(chǎn)生過程。高溫環(huán)境除會(huì)使緊固件材料發(fā)生
氧化反應(yīng)，硬度等性能降低之外，產(chǎn)生的氧化物顆粒還會(huì)參與并加劇氧化磨損和磨粒磨損。過大的接觸應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致螺紋表面出現(xiàn)塊狀脫落形成凹坑，發(fā)生粘著磨損，同時(shí)，塊狀脫落物在一定程度上也會(huì)加劇磨粒磨損。
1.2 緊固件銀涂層磨損失效形式
為降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件磨損失效發(fā)生的頻率，科研人員有時(shí)會(huì)采用銀涂層對緊固件進(jìn)行保護(hù)，但銀涂層有時(shí)也會(huì)因?yàn)槟p而失效。在微動(dòng)磨損和磨粒磨損的影響下，銀涂層表面會(huì)發(fā)生形變及出現(xiàn)犁溝等；在氧化磨損的影響下，銀涂層性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，功能完整性也會(huì)受到破壞；在粘著磨損影響下，銀涂層會(huì)出現(xiàn)剝落等，上述損害會(huì)在一定程度上導(dǎo)致涂層失效[40-41]。邱星瀚等[42]對覆蓋于航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件上的電鍍銀涂層的失效表面進(jìn)行觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，螺紋中尖角處因應(yīng)力集中而出現(xiàn)嚴(yán)重的粘著磨損和塑性變形，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，銀涂層脫落失效。此外，高溫使銀涂層發(fā)生氧化反應(yīng)，降低了銀涂層潤滑性能，氧化膜脫落加劇了工作過程中的磨粒磨損。QIN 等[43]在探索采用電鍍工藝制備的銀涂層的減磨性能時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)，銀涂層在高溫和磨損過程中因摩擦產(chǎn)生的大量熱量的共同作用下出現(xiàn)了快速軟化的情況，塑性變形加劇，較多區(qū)域的銀涂層因磨損出現(xiàn)轉(zhuǎn)移和剝落現(xiàn)象，配副與基體出現(xiàn)直接接觸。
常溫和 350℃條件下，部分區(qū)域銀涂層也因磨損出現(xiàn)了剝落和轉(zhuǎn)移的情況，導(dǎo)致配副與基體出現(xiàn)了直接接觸。RT（常溫）、350 ℃、600 ℃下的試樣磨損后表面形貌如圖 6 所示。周紅等[44]在對通過電火花沉積工藝制備的銀涂層進(jìn)行摩擦磨損性能進(jìn)行研究時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在常溫摩擦磨損過程中，隨著載荷越大，銀涂層發(fā)生塑性變形越大，銀的再結(jié)晶溫度越低，大量銀顆粒由此產(chǎn)生，部分銀涂層出現(xiàn)剝落和轉(zhuǎn)移，基體逐漸暴露，摩擦因數(shù)上升。在高溫摩擦磨損過程中，大載荷使銀涂層發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，銀的熔點(diǎn)下降，摩擦過程產(chǎn)生的較高溫度促使銀熔化結(jié)晶形成銀顆粒，導(dǎo)致銀涂層發(fā)生轉(zhuǎn)移和磨粒磨損，進(jìn)而銀涂層發(fā)生失效；高溫還使銀涂層部分發(fā)生氧化。銀涂層失效后的磨痕形貌如圖 7 所示。對圖 7a 進(jìn)行能譜分析可知，灰色區(qū)域主要元素為 Ag，黑色區(qū)域 Fe 元素含量較高，這表明黑色區(qū)域涂層已消失；對圖 7c 中白色顆粒進(jìn)行能譜分析可知，顆粒的主要元素為 Ag，表明銀涂層在磨損過程中會(huì)逐漸變成銀顆粒而發(fā)生脫落或轉(zhuǎn)移。此外，在研究TiN-Ag 球盤摩擦磨損行為時(shí)還發(fā)現(xiàn)，對于電鍍工藝得到的銀涂層，大載荷和高轉(zhuǎn)速使銀涂層出現(xiàn)塊狀剝落，表面接觸面間的粘著作用增強(qiáng)，劃痕變深，數(shù)量增多，磨粒磨損加劇[45]。
2、 銀涂層與復(fù)合增強(qiáng)涂層制備技術(shù)
2.1 單一銀涂層制備技術(shù)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作過程中時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件在工作過程伴有微動(dòng)磨損和磨粒磨損；因常工作于高溫環(huán)境中，覆蓋于緊固件上的涂層會(huì)發(fā)生氧化。此外，緊固件內(nèi)部因存在較大接觸應(yīng)力，還會(huì)產(chǎn)生粘著磨損。高溫時(shí)還會(huì)使銀涂層軟化，過度形變、剝落等失效問題頻發(fā)，已無法滿足使用需求，其性能亟待提高。
研究人員在大量研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，工藝優(yōu)化和材料復(fù)合是提高銀涂層高溫下潤滑能力最有效的兩個(gè)措施。用磁控濺射工藝替代電鍍工藝可以有效改善銀涂層與基體的結(jié)合力、厚度均勻性、硬度和顯微結(jié)構(gòu)。
TRONCI [46]采用電鍍工藝制備了銀涂層，并開展了摩擦學(xué)測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在常溫環(huán)境下，銀涂層具有足夠的保護(hù)能力。高溫環(huán)境下的測試結(jié)果表明，銀涂層因失效無法起到保護(hù)作用，且經(jīng) 600 ℃熱循環(huán)測試后，樣件表面摩擦因數(shù)顯著上升。作者分析出現(xiàn)這種情況的原因可能有兩個(gè)，銀涂層因高溫和重復(fù)使用部分發(fā)生剝落，而剩余銀涂層因熱老化和退火變得更易轉(zhuǎn)移到配副或剝落。盡管銀熔點(diǎn)較高，但高溫會(huì)對銀涂層的硬度和結(jié)合力產(chǎn)生影響。銀涂層目前常用的制備工藝是電鍍，電鍍工藝具有厚度不均勻和結(jié)合強(qiáng)度差等缺點(diǎn)。SLINEY[47]在研究中發(fā)現(xiàn)，過厚的銀涂層在實(shí)際工作過程中會(huì)因過度變形，導(dǎo)致尺寸精度被破壞，摩擦因數(shù)增大。CHEN 等[48-49]采用磁控濺射工藝代替電鍍工藝制備了銀涂層，研究發(fā)現(xiàn)，磁控濺射工藝得到的銀涂層晶粒更為細(xì)膩，缺陷更少，厚度均勻性也更好。磁控濺射工藝得到的銀涂層與電鍍工藝得到的銀鍍層結(jié)合強(qiáng)度、硬度的對比結(jié)果也表明，常溫下磁控濺射工藝得到的銀涂層硬度可提高45.5%，結(jié)合強(qiáng)度可提高 3 倍，兩種工藝得到的銀涂層的結(jié)合力對比如圖 8 所示，顯微硬度對比如圖 9 所示。
綜上，與電鍍工藝得到的銀涂層相比，磁控濺射工藝得到的銀涂層在結(jié)構(gòu)方面，具有更為均勻和精細(xì)的結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部出現(xiàn)缺陷的情況減輕；在工藝性方面，尺寸控制更精準(zhǔn)，厚度均勻性也更占優(yōu)勢；在性能方面，與基體結(jié)合強(qiáng)度出現(xiàn)提高，在熱循環(huán)后的硬度更高。采用磁控濺射工藝得到銀涂層在高溫下不容易發(fā)生剝落和過度形變，具有更優(yōu)的耐磨性。因此，采用磁控濺射工藝制備的銀涂層更適合于高溫環(huán)境下的緊固件保護(hù)[12, 50]。
2.2 復(fù)合增強(qiáng)涂層制備技術(shù)
在銀涂層中摻雜高硬度或具有較優(yōu)潤滑性能的材料，可以有效提高涂層的潤滑能力，與其他固體潤滑劑混合也可以有效改善涂層的潤滑能力。
為尋找合適的復(fù)合材料，SLINEY[47]采用等離子噴涂工藝制備純銀與鎳鉻合金、玻璃潤滑鎳基高溫合金復(fù)合涂層，并開展 430 ℃摩擦學(xué)測試。結(jié)果表明；鎳鉻合金可以通過提高銀涂層的硬度來提高銀涂層的潤滑能力；玻璃潤滑鎳基高溫合金可以通過在銀涂層與配副接觸表面成釉來提高銀涂層的潤滑能力。此外，還對通過等離子噴涂工藝制備的純銀與 CaF2 復(fù)合涂層開展了 430 ℃摩擦學(xué)測試試驗(yàn)，結(jié)果表明，CaF2 可以通過提高銀涂層的高溫潤滑能力來提高銀涂層的潤滑能力。針對潤滑性能較好的材料，CHEN 等[51]嘗試在電鍍工藝制備的銀涂層摩擦磨損過程中添加聚苯胺（PAN）潤滑脂來提高潤滑性能。研究發(fā)現(xiàn)，PAN 潤滑脂的銀涂層在工作過程中會(huì)形成邊界潤滑膜，能夠有效提高減磨能力，磨痕寬度也有所減小，潤滑脂添加前后試樣磨痕寬度對比如圖 10 所示。ZHU 等[52]在研究過程中發(fā)現(xiàn)，將 Ag 與BaF2 / CaF2 共晶進(jìn)行混合可以形成寬溫度范圍條件下的復(fù)合潤滑劑，可以充分利用 Ag 在 500 ℃以下良好的潤滑作用和 BaF2 / CaF2 共晶在 450 ℃以上良好的潤滑作用， 該復(fù)合潤滑劑可以從室溫到1 000 ℃提供良好的潤滑性。
綜上，添加增強(qiáng)材料可以有效提高銀涂層的硬度、潤滑性等基礎(chǔ)性能，提高銀涂層抵抗破壞的能力。在摩擦磨損過程中輔以潤滑脂可以減輕銀涂層在工作過程中表面因磨損而出現(xiàn)裂紋等破壞形式的情況，提高銀涂層的減磨能力。此外，將銀涂層與其他工作溫度范圍的優(yōu)異潤滑劑共混，對銀涂層擴(kuò)展?jié)櫥芰Φ挠行Чぷ鳒囟群驮黾佑行Чぷ鲿r(shí)長具有十分可觀的作用。
3 、高溫替代涂層
除對銀涂層進(jìn)行優(yōu)化之外，還可尋找高溫下潤滑性能良好的替代涂層。為了尋找高溫環(huán)境中用于緊固件保護(hù)的銀涂層的替代涂層材料，學(xué)者們也進(jìn)行了諸多研究。大量試驗(yàn)證明，含鉻、鈦或鋁的涂層作為應(yīng)用于高溫工作環(huán)境中的涂層，除具有良好的硬度、結(jié)合力等性能之外，潤滑性能也較為優(yōu)異。
上述三種涂層可能替代銀涂層成為高溫環(huán)境中緊固件保護(hù)涂層。
3.1 高硬度特性涂層
研究人員針對含 Cr 涂層的高溫潤滑性能做了大量研究。ZHOU 等[53-57]分別采用不同的工藝（激光熔覆、電鍍）制備了 NiCrBSi 涂層、NiCrBSi / WC-Ni復(fù)合涂層和硬鉻涂層。結(jié)果均發(fā)現(xiàn)：在處于高溫環(huán)境中時(shí)，涂層表面因鉻的存在仍會(huì)保持較高的硬度，不易因涂層變軟而出現(xiàn)變形和凹坑，NiCrBSi 涂層、NiCrBSi / WC-Ni復(fù)合涂層的顯微硬度如圖11所示。
此外，還研究了含 Ti 涂層在高溫下的潤滑性能，ZHOU 等[58-61]分別采用不同的工藝（非真空電子束熔覆、冷噴涂）制備了 Ti-41Al-7Cr 涂層、Ti 涂層，結(jié)果均發(fā)現(xiàn)，在處于高溫環(huán)境中時(shí)，Ti 會(huì)被氧化形成 TiO2，TiO2 可以提高涂層的硬度；在摩擦作用下，TiO2 小顆粒會(huì)導(dǎo)致金屬碎屑破碎，減小磨粒磨損帶來的危害，提高涂層減磨耐磨能力提高。此外，TRONCI[46]采用磁控濺射工藝制備了含鉻涂層，高溫下熱循環(huán)后的具有較優(yōu)的硬度，鈦涂層的顯微硬度變化如圖 12 所示。
3.2 高溫特種氧化涂層
為探究含 Al 涂層在高溫下的潤滑性能，WU等[62-65]分別采用不同的工藝（陰極電弧蒸發(fā)沉積、激光熔覆、大氣等離子噴涂）制備了 Ti0.53Al0.47N涂層、FeCoCrNiMnAlx 涂層、NiAl-MoO / CuO 復(fù)合涂層，結(jié)果均發(fā)現(xiàn)，在處于高溫環(huán)境中時(shí)，Al 會(huì)被氧化形成 Al2O3，Ti0.53Al0.47N 在不同溫度下的氧化膜厚度變化如圖 13 所示。覆蓋在涂層上的 Al2O3氧化皮除了可以通過成釉提高摩擦副接觸面處的潤滑性能，提高涂層韌性，從而使得裂紋不易產(chǎn)生和拓展之外，還可以減少涂層與配副的直接接觸面積，提高涂層抵抗破壞的能力。
綜上，鉻元素和鈦元素作為高硬度特性涂層中的代表元素，可以使保護(hù)涂層在高溫環(huán)境下具有相對較高的硬度，且鈦在高溫環(huán)境下形成的高硬度氧化物顆粒還可以破壞參與磨粒磨損過程的碎屑，減小磨粒磨損帶來的影響；鋁元素作為高溫特種氧化涂層中的代表元素，在高溫環(huán)境下形成的氧化物釉層可以增強(qiáng)保護(hù)涂層的潤滑特性，且鋁在高溫環(huán)境下形成的氧化物層可以減少涂層與配副直接接觸的面積。高硬度特性和高溫氧化特性可能使含鉻涂層、含鈦涂層、含鋁涂層在高溫環(huán)境中具有比銀涂層更優(yōu)異的保護(hù)能力，可以嘗試作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件的替代保護(hù)涂層。
4、 現(xiàn)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件失效分析及研究現(xiàn)狀
4.1 失效機(jī)制分析
在實(shí)際使用過程中因存在應(yīng)力集中等現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)涂層嚴(yán)重剝落的情況，導(dǎo)致緊固件失效。因此，須對使用過程中得到的失效螺母進(jìn)行分析。為了分析銀涂層在實(shí)際工作過程中的摩擦學(xué)行為，得到現(xiàn)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件失效原因，本文利用掃描電鏡對銀涂層失效螺母表面進(jìn)行觀察，并對其中部分區(qū)域進(jìn)行 EDS 能譜分析；利用金相顯微鏡對失效螺母側(cè)面進(jìn)行觀察。該失效螺母為隨航空發(fā)動(dòng)機(jī)在 650 ℃下試驗(yàn)十幾個(gè)小時(shí)后得到。螺栓的材料為鈷基高溫合金，螺母的材料為鎳基高溫合金。銀涂層為通過電鍍工藝制備得到，厚度為 5～8 μm。
樣品表面形貌如圖 14 所示。選擇樣品螺紋中 3處磨損相對嚴(yán)重的位置掃描電鏡分析，如圖 14 中螺母樣品標(biāo)示框。從圖中可以看出，因?yàn)樽枣i效果的存在，銀涂層發(fā)生了形變，且在表面有凹坑出現(xiàn)，部分銀涂層甚至出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象。同時(shí)對圖中磨損嚴(yán)重的位置進(jìn)行了 EDS 能譜分析，結(jié)果表明，銀涂層除發(fā)生剝落現(xiàn)象之外，還有部分被氧化；配副碎屑粘著到了銀涂層上。另選取螺母制樣后樣品上幾處出現(xiàn)明顯缺陷的地方進(jìn)行金相顯微鏡分析，如圖15 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，擠壓作用的存在，使得螺紋頂部、螺紋底部、螺紋側(cè)面的基體發(fā)生了一定的形變，螺紋頂部是形變最嚴(yán)重的地方；擠壓和磨損交互作用的存在使得覆蓋于基體的涂層出現(xiàn)了缺口和完全脫落現(xiàn)象；銀涂層在制備過程或工作過程
中引入了雜質(zhì)顆粒和空洞。
4.2 失效機(jī)制研究現(xiàn)狀
銀涂層作為高溫（600℃以上）下最常用的緊固件保護(hù)涂層，失效仍時(shí)有發(fā)生。為提出失效問題的有效解決辦法，許多學(xué)者對覆蓋于緊固件上的銀涂層在高溫工作環(huán)境中的失效機(jī)制進(jìn)行了研究。邱星瀚等[42]對應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的緊固件電鍍銀涂層的失效形貌進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，銀因具有較高的擴(kuò)散率，在高溫工作環(huán)境中，銀涂層內(nèi)部會(huì)因材料聚集而產(chǎn)生的孔洞，孔洞的產(chǎn)生導(dǎo)致涂層的結(jié)合力降低，在循環(huán)載荷和磨損的作用下，還會(huì)導(dǎo)致孔洞塌陷，進(jìn)而出現(xiàn)凹坑和裂紋，甚至還會(huì)出現(xiàn)銀涂層脫落失效的情況，此外，孔洞的出現(xiàn)也會(huì)加速銀涂層內(nèi)部和基體氧化，進(jìn)一步使銀涂層的結(jié)合力降低。緊固件側(cè)面形貌及元素線掃描結(jié)果如圖 16 所示。而二硫化鉬涂層作為低溫（150 ℃以下）下最常用的緊固件保護(hù)涂層，失效也時(shí)有發(fā)生。LIU 等[31-32, 66]對表面通過噴涂工藝制備有 MoS2 涂層的緊固件失效件進(jìn)行了觀察。在較低初始擰緊扭矩條件下的樣品表面形貌和 A、B 兩處 EDS 能譜分析結(jié)果如圖 17 所示。結(jié)果表明，低的初始擰緊扭矩使區(qū)域（Ⅰ）處的磨損加劇，涂層被完全去除，且還出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象。B 處的 EDS 能譜分析結(jié)果表明 B 處發(fā)生了輕微的氧化反應(yīng)。
除對覆蓋于緊固件上銀涂層宏觀失效行為進(jìn)行探索之外，陳爽等[67]還對銀涂層的微觀摩擦特性進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究發(fā)現(xiàn)，溫度越高，銀原子位移越大且越無序，不同溫度下的原子位移見圖18 所示。但上述探究并未對銀原子的在微觀上的轉(zhuǎn)移、結(jié)合能等微觀表現(xiàn)進(jìn)行探索，失效的根本原因未發(fā)現(xiàn)。
綜合掃描電鏡、EDS 能譜及金相顯微鏡得到的結(jié)果和學(xué)者們的研究結(jié)果可知，高溫下銀涂層軟化和銀的高擴(kuò)散率是涂層失效的主要原因[46-48]，軟化會(huì)導(dǎo)致形變量增大，過度變形會(huì)導(dǎo)致銀涂層表面出現(xiàn)凹坑和剝落從而失效；銀材料本身高擴(kuò)散率與高溫工作環(huán)境而出現(xiàn)的內(nèi)部有害孔洞會(huì)導(dǎo)致銀涂層在工作過程中磨損損害和氧化的加劇。此外，預(yù)處理、涂層制備及零件保存過程操作不當(dāng)也可能會(huì)造成涂層性能不足或者失效，由螺母加工工藝而出現(xiàn)的粗糙度和尺寸問題會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象和銀涂層結(jié)合力不足的情況，加速涂層失效。但上述失效原因分析具有一定局限性，僅針對銀涂層在測試或應(yīng)用中的宏觀表現(xiàn)，未對銀涂層原子在微觀層面的表現(xiàn)進(jìn)行分析。為了進(jìn)一步明確銀涂層失效機(jī)理，還須對銀涂層原子的摩擦磨損過程進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，對銀原子轉(zhuǎn)移和涂層與基體的結(jié)合能變化等進(jìn)行觀察和分析，以得出更符合事實(shí)的結(jié)論。
5 、結(jié)論與展望
涂層保護(hù)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件領(lǐng)域的使用效果已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可。銀涂層作為使用最為廣泛的一種高溫保護(hù)涂層，仍會(huì)出現(xiàn)變形、剝落等失效問題，這表明應(yīng)用于高溫環(huán)境的涂層保護(hù)技術(shù)還有待提高。針對銀涂層的應(yīng)用前景，提出以下展望：
（1）進(jìn)行銀涂層原子轉(zhuǎn)移等微觀層面的研究。涂層的宏觀性質(zhì)由涂層原子決定，對銀涂層摩擦磨損過程進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，對涂層與配副交界處的原子轉(zhuǎn)移情況和涂層與基體之間的結(jié)合能變化等問題進(jìn)行分析和探究，對于探索涂層失效的根本原因，解決涂層的失效問題具有必要的宏觀不可替代的作用。
（2）采用磁控濺射工藝制備銀涂層。與電鍍工藝相比，磁控濺射工藝制得的銀涂層具有更優(yōu)的厚度均勻性和結(jié)合強(qiáng)度，微觀結(jié)構(gòu)也更加致密，可以有效提高銀涂層抵抗破壞的能力。
（3）嘗試添加增強(qiáng)材料對銀涂層改性或與其他固體潤滑材料形成復(fù)合潤滑涂層。通過添加具有高硬度特性的鎳鉻合金、具有自潤滑特性的聚苯胺等材料可以有效增強(qiáng)銀涂層的硬度或潤滑性能，從而提高銀涂層的減磨耐磨能力；復(fù)合潤滑涂層可以增加銀涂層的工作溫度范圍。
（4）開發(fā)含鉻、鈦或鋁等高硬度特性或高溫特種氧化涂層。鉻、鈦?zhàn)鳛橥繉咏M成材料，可以提高涂層的硬度，鋁在高溫下形成的氧化物釉層，具有出色的潤滑效果，由其組成的涂層減磨耐磨能力十分可觀，可嘗試將上述涂層作為緊固件的新型保護(hù)涂層。
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作者簡介：劉燕，女，1985 年出生，博士，高級工程師。主要研究方向?yàn)椴牧媳砻婕夹g(shù)。
E-mail: aliya0719@163.com
段海濤（通信作者），男，1981 年出生，博士，研究員。主要研究方向?yàn)椴牧夏Σ翆W(xué)和表面涂層技術(shù)。
E-mail: duanhaitao2007@163. com
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