多孔聚醚醚酮保持架材料的FDM制備及其摩擦學性能研究

摘要：采用熔融沉積成形(FDM)工藝制備了聚醚醚酮(PEEK)基自潤滑軸承保持架材料，并圍繞材料的制備、微觀結構及宏觀性能的協(xié)同設計進行了研究。結果表明：FDM工藝制備的PEEK多孔試樣孔徑大小滿足多孔保持架材料的要求；多孔試樣的含油率在一定程度上受其自身孔隙率的影響，孔隙率高的試樣含油率也高，且總體表現(xiàn)出較高的含油保持率；在干摩擦條件下，試樣的摩擦因數(shù)隨著孔隙率的增大而增大；貧油潤滑條件下與致密PEEK試樣相比，多孔試樣的摩擦因數(shù)下降明顯，表現(xiàn)出了良好的自潤滑效果；致密PEEK試樣表現(xiàn)出了最佳的拉伸強度，而多孔試樣的拉伸強度與其自身孔隙率密切相關且受造孔效果的協(xié)同影響。關鍵詞：滾動軸承;保持架;聚醚醚酮;多孔材料;熔融沉積成形;自潤滑;摩擦因數(shù)航空發(fā)動機是現(xiàn)代工業(yè)技術的集大成者,精密軸承在航空發(fā)動機中發(fā)揮著重要的作用[1]。而保持架作為航天軸承的核心零件,其潤滑效果對軸承的服役性能起關鍵作用,潤滑失效極易造成保持架自身運轉失穩(wěn),進而造成軸承其他零件的嚴重磨損,并伴隨著渦動和嘯叫現(xiàn)象[2]。鑒于航天軸承工況復雜且無法補充潤滑油,使用常規(guī)潤滑技術已經(jīng)無法滿足需要。目前,國內外多采用一次性稀油技術,即保持架采用多孔自潤滑材料,在兼具承載能力的同時將潤滑油或潤滑脂浸入孔隙結構中,軸承運轉時在離心力、溫升等因素的作用下起到摩擦副自潤滑效果,實現(xiàn)減摩抗磨的目的。多孔自潤滑軸承保持架材料的制備主要采用冷壓燒結工藝和模板-濾取工藝[3]2種方法:冷壓燒結工藝是將聚合物顆粒通過機械壓實后在一定溫度下進行燒結,使聚合物顆粒表面融化而黏接在一起,顆粒之間的縫隙形成孔道的材料制備工藝;模板-濾取工藝是將聚合物顆粒與填充劑混合后冷壓燒結成形,通過原位去除造孔劑制備多孔材料的工藝。雖然上述制備工藝操作簡單、成本低廉[4],但制備出孔隙排布有序,孔隙率可控,形貌多樣的多孔材料仍存在困難。以熔融沉積成形(FusedDepositionModeling,FDM)工藝為代表的增材制造技術的蓬勃發(fā)展為復雜結構的多孔材料制備提供了有效方案。FDM工藝利用分層制造技術,層層疊加的原理可高效、綠色地制備出性能優(yōu)良的多孔保持架材料[5-6]。常見的自潤滑軸承保持架材料有棉布-酚醛、尼龍(PA)、聚酰亞胺(PI)和聚醚醚酮(PEEK)等。PEEK是一種集高強度、高韌性、高耐熱性等優(yōu)異綜合性能于一體的特種工程塑料,在石油化工、航空航天等領域有著廣泛的應用前景[7]。本文以PEEK為基體材料,提出采用熔融沉積-水洗工藝制備多孔自潤滑軸承保持架材料,并研究不同工藝參數(shù)下多孔自潤滑材料的微觀結構對其摩擦學性能的影響,為材料-結構-性能的一體化設計制造提供依據(jù)。1試驗1.1絲材及試樣制備1.1.1絲材制備采用造孔劑法構建多孔結構的材料,即將造孔劑與基體材料PEEK混合,成形后利用水洗法去除造孔劑以形成多孔材料。NaCl粒徑易控,造孔能力強且容易被原位去除,所以被廣泛用作造孔劑。故本研究將PEEK與NaCl混合,經(jīng)粉材混勻、絲材擠出等工序制備PEEK基復合絲材。選用200目的PEEK粉,密度為1.3g/cm3,熔點為334℃;NaCl為分析純,密度為2.1g/cm3,熔點為804℃,NaCl過325目篩網(wǎng)。按照表1的原材料配比稱取相應質量的NaCl和PEEK粉材,并將粉材置于120℃的電熱恒溫干燥箱中烘干12h,再以50r/min的速度機械攪拌12h混勻,并按照上述干燥工藝對混合后的粉材二次干燥處理。經(jīng)牽引、冷卻、絲材測控及收卷制備出直徑為(1.75±0.05)mm的絲材。制備不同配方的絲材時YTG-20型雙螺桿擠出機7個加熱區(qū)的溫度及螺桿轉速設置見表2。表1復合材料的配方(質量分數(shù))Tab.1Formulationofcomposites(massfraction)表2擠絲過程主要工藝參數(shù)Tab.2Mainparametersofwireextrusionprocess為避免NaCl潮解或結塊,將絲材置于60℃恒溫干燥箱中以備打印。絲材主要制備工序如圖1所示。(a)絲材擠出(b)絲材冷卻(c)絲材測控(d)絲材收卷圖1絲材主要制備工序Fig.1Mainpreparationprocessofwirematerial1.1.2試樣制備采用FDM快速成型機(ENGINEERQ300型),選擇直徑為0.8mm的噴嘴,設置FDM工藝參數(shù)為:噴嘴溫度420℃,打印速度40mm/s,打印層厚0.4mm,填充率100%。制備完成后將純PEEK以外的試樣置于超聲清洗機中采用蒸餾水超聲清洗48h,期間每隔3h換一次水,以刻蝕其中的NaCl成分。清洗后將試樣置于100℃烘箱中烘干5h,得到孔隙率及摩擦磨損測試等試樣。各類型試樣制備過程及成品如圖2所示。(a)試樣打印(b)不同類型試樣圖2各類型試樣制備過程及成品Fig.2Preparationprocessofeachtypeofsampleandfinishedproducts1.2結構表征與性能測試1.2.1結構表征為研究多孔試樣內部的微觀結構,采用LSM800型激光共聚焦掃描分析儀觀察試樣的微觀形貌;采用JSM-IT800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(EDS)測試試樣內部NaCl的去除效果;采用AutoPoreIV9500型壓汞儀測定試樣內部的孔隙率及孔徑分布。1.2.2性能測試為研究試樣的宏觀性能,采用HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機測試試樣在干摩擦及貧油潤滑狀態(tài)下的摩擦磨損性能,對磨球直徑為5mm,材質為9Cr18,施加載荷為5N,摩擦半徑為5mm,轉速設置為392r/min,測試時間為30min。采用ZKXY-400型軸承保持架真空浸油機對試樣進行浸油處理,采用TG16-WS型離心機測量試樣的含油保持率。含油率及含油保持率為含油率(1)含油保持率(2)將試樣清洗后稱重,并于真空環(huán)境(1.0×10-3

Pa)下浸入潤滑油中(70℃,48h),使試樣內部孔隙浸滿潤滑油。將浸油后的試樣取出室溫下(25℃)瀝干48h并稱重,得到試樣浸油前、后的質量,然后由(1)式求得含油率;采用離心機在室溫(25℃)下對含油試樣甩油2h(同軸甩油,轉速8000r/min)并稱重,得到試樣浸油前、甩油后的質量,由(2)式計算試樣含油保持率。2結果與討論2.1絲材表面形貌表征通過絲材的表面形貌探究其柔韌性及光潔程度,進而分析其擠絲性能。各試樣對應絲材的表面形貌如圖3所示。(a)1#試樣(b)2#試樣(c)3#試樣(d)4#試樣(e)5#試樣(f)6#試樣圖3各試樣對應絲材的表面形貌Fig.3Morphologyofwirematerialsurfacecorrespondingtoeachsample由圖3可知,隨著NaCl質量分數(shù)的提高,絲材的表面粗糙度逐漸增大,且線徑的控制會受到影響。這是因為NaCl質量分數(shù)越低,其在基體材料中的分散效果越好,顆粒能夠更加彌散、均勻地分布于混合材料基體中,形成絲材的光潔度和柔韌性較好。隨著NaCl質量分數(shù)的提高,基體材料中NaCl的連續(xù)性增加,隨之而來的團聚現(xiàn)象也愈發(fā)明顯,形成絲材的表面更粗糙且柔韌性差。2.2PEEK基多孔試樣的微觀結構為研究PEEK基多孔試樣含油及減摩機理,采用共聚焦掃描分析儀觀察試樣的二維形貌(圖4),以表征其表面形態(tài)及孔隙特征。(a)2#試樣(b)3#試樣(c)4#試樣(d)5#試樣(e)6#試樣圖4PEEK基多孔試樣表面孔隙二維形貌Fig.42DmorphologiesofporesonsurfaceofPEEK-basedporoussamples多孔試樣內部的微觀孔隙分布及孔徑大小是影響其宏觀性能的關鍵因素,試樣內部的NaCl去除干凈才能避免對軸承及其他零件造成不利影響。由圖4可知:試樣內部較均勻地分布著NaCl原位去除后留下的孔隙,隨著NaCl質量分數(shù)的提高,試樣孔隙分布及孔徑大小更合理,骨架也更均勻。初始NaCl質量分數(shù)最高的6#試樣的EDS分析結果如圖5所示:實驗室條件下PEEK基多孔試樣內部的NaCl可以完全去除,從而有效避免對滾動體、套圈等零件的不利影響。圖56#試樣刻蝕NaCl后EDS分析結果Fig.5EDSanalysisresultsof6#

sampleafteretchingNaCl基于FDM工藝制備的試樣通常面臨內部組織分層對其性能造成的不利影響,對于NaCl團聚最嚴重的6#試樣,放大100倍后的微觀結構如圖6所示:基于本研究工藝參數(shù)下制得試樣的層與層之間結合緊密,這為PEEK基多孔試樣優(yōu)異的力學性能奠定了結構基礎。圖66#試樣分層現(xiàn)象表征Fig.6Characterizationofstratificationphenomenonof6#

sample大量試驗研究結果表明,軸承保持架多孔聚合物含油材料的孔徑大小應當適中,以利于軸承運轉時保持架孔道內潤滑油的遷移與回收。一般認為多孔保持架材料的孔徑應小于10μm[8]。通過壓汞儀測試PEEK基多孔試樣的孔徑分布及孔隙率(圖7)。隨著NaCl質量分數(shù)的提高,試樣孔徑呈增大的趨勢,這是由于NaCl質量分數(shù)的提高致使其團聚效應更明顯,原位去除后呈現(xiàn)的孔徑也更大。2#試樣孔徑最小,大部分集中在0.07μm左右,6#試樣孔徑最大(達到7.16μm),所有試樣的孔徑大小均符合多孔軸承保持架材料孔徑的要求。

圖7PEEK基多孔試樣的孔徑和孔隙率Fig.7PoresizeandporosityofPEEK-basedporoussamples由圖7可知,隨著NaCl質量分數(shù)的提高,試樣的孔隙率呈先升高后降低的趨勢。造成這種現(xiàn)象的原因可能是5#和6#試樣制備過程中NaCl質量分數(shù)較大導致其大量團聚,影響自身分散的均勻性,繼而影響后續(xù)的造孔效果。2.3PEEK基多孔試樣的含油率、含油保持率含油率、含油保持率是評價含油材料性能的重要技術指標[9],PEEK基多孔試樣含油率、含油保持率測試結果如圖8所示。

圖8PEEK基多孔試樣含油率和含油保持率Fig.8OilcontentandoilretentionrateofPEEK-basedporoussamples由圖8可知,孔隙率較高的3#,4#試樣的含油率也較高,說明多孔試樣的含油率在一定程度上受其自身孔隙率的影響?；贔DM工藝制備的PEEK基多孔試樣含油保持率總體較高,經(jīng)2h甩油處理后,除3#試樣外,其余試樣含油保持率均達到93%以上。3#試樣含油率較高,但孔隙率有限(孔隙率總體<25%),這影響了內部潤滑油的遷移與回收能力,含油保持率是綜合考慮甩油試驗前后試樣含油率的指標,在浸入較多潤滑油(原始含油率較高)情況下難以表現(xiàn)出更高的含油保持率。但相較于模板-濾取工藝制備的PEEK基多孔試樣[10],本文的多孔試樣表現(xiàn)出更優(yōu)異的儲油性能。2.4PEEK基試樣的摩擦學性能在充分潤滑狀態(tài)下,軸承服役性能更易得到保證。然而航天軸承處于超高真空、高低溫交變、多次啟停等特殊工況時,摩擦副間貧油程度加劇,甚至面臨干摩擦狀態(tài),摩擦磨損形勢更嚴峻[11]。鑒于此,本文研究干摩擦及貧油潤滑2種狀態(tài)下PEEK基試樣的摩擦學性能。干摩擦條件下,各試樣對應的摩擦因數(shù)如圖9所示:多孔試樣的摩擦因數(shù)與其自身孔隙率密切相關,致密的1#PEEK試樣表面相對光滑,摩擦因數(shù)最小;隨著試樣孔隙率的提高,大量孔隙的出現(xiàn)破壞了試樣的光滑表面和致密結構,其表面粗糙度隨之增大,摩擦因數(shù)增大;另一方面孔隙率的提高在一定程度上降低了試樣的機械強度,使試樣更容易磨損,營造出更加惡劣的摩擦環(huán)境,摩擦因數(shù)也隨之增大。圖9干摩擦條件下PEEK基試樣的摩擦因數(shù)Fig.9FrictioncoefficientofPEEK-basedsamplesunderdryfrictioncondition為探究多孔試樣貧油條件下的潤滑性能,試樣浸油完成后取出在室溫下(25℃)瀝干48h。試驗過程中不再添加額外潤滑劑,貧油潤滑狀態(tài)下,試樣的摩擦因數(shù)如圖10所示。圖10貧油潤滑條件下PEEK基試樣的摩擦因數(shù)Fig.10FrictioncoefficientofPEEK-basedsamplesunderoilstarvationlubricationcondition多孔試樣內部孔道可以作為潤滑油的“存儲器”[9]。在貧油潤滑條件下,摩擦副的潤滑受到多孔表面、孔道供油和回油的協(xié)同作用。由圖10可知,致密的1#PEEK試樣摩擦因數(shù)總體高于多孔試樣,而隨著孔隙率的提高,摩擦因數(shù)基本呈現(xiàn)減小趨勢,多孔試樣表現(xiàn)出良好的自潤滑性能。由此可見試樣的孔隙率越高,其供油、回油能力也越強,潤滑效果越好。值得注意的是,相較于致密的1#PEEK試樣,多孔試樣貧油潤滑狀態(tài)下的摩擦因數(shù)在整個試驗過程中并沒有表現(xiàn)出明顯的升高趨勢,這說明基于FDM工藝制備的PEEK基多孔試樣具備為服役對象提供穩(wěn)定的潤滑環(huán)境從而保證其長效潤滑的潛力。各試樣在干摩擦、貧油潤滑條件下的平均摩擦因數(shù)如圖11所示,在潤滑介質的作用下,多孔試樣平均摩擦因數(shù)下降更加明顯。4#試樣的摩擦因數(shù)下降了83.33%,該結果表明貧油潤滑狀態(tài)下,PEEK基多孔試樣能夠表現(xiàn)出更好的潤滑效果。圖11不同潤滑條件下各試樣平均摩擦因數(shù)Fig.11Averagefrictioncoefficientofsamplesunderdifferentlubricationconditions2.5PEEK基試樣的力學性能軸承保持架材料的摩擦學特性及力學性能共同決定了其運行精度及壽命[12],試樣的拉伸強度如圖12所示:各試樣拉伸強度集中在