多孔聚醚醚酮保持架材料的FDM制備及其摩擦學(xué)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(jié)構(gòu)及宏觀性能的協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。結(jié)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(qiáng)度，而多孔試樣的拉伸強(qiáng)度與其自身孔隙率密切相關(guān)且受造孔效果的協(xié)同影響。關(guān)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(jī)是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的集大成者,精密軸承在航空發(fā)動機(jī)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(guān)鍵作用,潤滑失效極易造成保持架自身運(yùn)轉(zhuǎn)失穩(wěn),進(jìn)而造成軸承其他零件的嚴(yán)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(fù)雜且無法補(bǔ)充潤滑油,使用常規(guī)潤滑技術(shù)已經(jīng)無法滿足需要。目前,國內(nèi)外多采用一次性稀油技術(shù),即保持架采用多孔自潤滑材料,在兼具承載能力的同時(shí)將潤滑油或潤滑脂浸入孔隙結(jié)構(gòu)中,軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在離心力、溫升等因素的作用下起到摩擦副自潤滑效果,實(shí)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(jié)工藝和模板-濾取工藝[3]2種方法:冷壓燒結(jié)工藝是將聚合物顆粒通過機(jī)械壓實(shí)后在一定溫度下進(jìn)行燒結(jié),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(jié)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(shù)的蓬勃發(fā)展為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多孔材料制備提供了有效方案。FDM工藝?yán)梅謱又圃旒夹g(shù),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(qiáng)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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)對其摩擦學(xué)性能的影響,為材料-結(jié)構(gòu)-性能的一體化設(shè)計(jì)制造提供依據(jù)。1試驗(yàn)1.1絲材及試樣制備1.1.1絲材制備采用造孔劑法構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(fù)合絲材。選用200目的PEEK粉,密度為1.3g/cm3,熔點(diǎn)為334℃;NaCl為分析純,密度為2.1g/cm3,熔點(diǎn)為804℃,NaCl過325目篩網(wǎng)。按照表1的原材料配比稱取相應(yīng)質(zhì)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(jī)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(shí)YTG-20型雙螺桿擠出機(jī)7個(gè)加熱區(qū)的溫度及螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)置見表2。表1復(fù)合材料的配方(質(zhì)量分?jǐn)?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(jié)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(jī)(ENGINEERQ300型),選擇直徑為0.8mm的噴嘴,設(shè)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(jī)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(jié)構(gòu)表征與性能測試1.2.1結(jié)構(gòu)表征為研究多孔試樣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),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(nèi)部NaCl的去除效果;采用AutoPoreIV9500型壓汞儀測定試樣內(nèi)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(yàn)機(jī)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(zhì)為9Cr18,施加載荷為5N,摩擦半徑為5mm,轉(zhuǎn)速設(shè)置為392r/min,測試時(shí)間為30min。采用ZKXY-400型軸承保持架真空浸油機(jī)對試樣進(jìn)行浸油處理,采用TG16-WS型離心機(jī)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(nèi)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(zhì)量,然后由(1)式求得含油率;采用離心機(jī)在室溫(25℃)下對含油試樣甩油2h(同軸甩油,轉(zhuǎn)速8000r/min)并稱重,得到試樣浸油前、甩油后的質(zhì)量,由(2)式計(jì)算試樣含油保持率。2結(jié)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(jìn)而分析其擠絲性能。各試樣對應(yīng)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(yīng)絲材的表面形貌Fig.3Morphologyofwirematerialsurfacecorrespondingtoeachsample由圖3可知,隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?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?yàn)镹aCl質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,基體材料中NaCl的連續(xù)性增加,隨之而來的團(tuán)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(jié)構(gòu)為研究PEEK基多孔試樣含油及減摩機(jī)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(nèi)部的微觀孔隙分布及孔徑大小是影響其宏觀性能的關(guān)鍵因素,試樣內(nèi)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(nèi)部較均勻地分布著NaCl原位去除后留下的孔隙,隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的6#試樣的EDS分析結(jié)果如圖5所示:實(shí)驗(yàn)室條件下PEEK基多孔試樣內(nèi)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(jié)果Fig.5EDSanalysisresultsof6#

sampleafteretchingNaCl基于FDM工藝制備的試樣通常面臨內(nèi)部組織分層對其性能造成的不利影響,對于NaCl團(tuán)聚最嚴(yán)重的6#試樣,放大100倍后的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)合緊密,這為PEEK基多孔試樣優(yōu)異的力學(xué)性能奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。圖66#試樣分層現(xiàn)象表征Fig.6Characterizationofstratificationphenomenonof6#

sample大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明,軸承保持架多孔聚合物含油材料的孔徑大小應(yīng)當(dāng)適中,以利于軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保持架孔道內(nèi)潤滑油的遷移與回收。一般認(rèn)為多孔保持架材料的孔徑應(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,試樣孔徑呈增大的趨勢,這是由于NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高致使其團(tuán)聚效應(yīng)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(dá)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(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)較大導(dǎo)致其大量團(tuán)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(jià)含油材料性能的重要技術(shù)指標(biāo)[9],PEEK基多孔試樣含油率、含油保持率測試結(jié)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(dá)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(nèi)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(yàn)前后試樣含油率的指標(biāo),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(xué)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(shí),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(yán)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(xué)性能。干摩擦條件下,各試樣對應(yīng)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(guān),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(jié)構(gòu),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(jī)械強(qiáng)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(yàn)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(nèi)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(qiáng),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(gè)試驗(yàn)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(zhì)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(jié)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(xué)性能軸承保持架材料的摩擦學(xué)特性及力學(xué)性能共同決定了其運(yùn)行精度及壽命[12],試樣的拉伸強(qiáng)度如圖12所示:各試樣拉伸強(qiáng)度集中在