镓基液态金属的润滑性能研究

作     者：刘晨 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李庆林;胡克潮;马吉强

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：镓基液态金属 高温摩擦 润滑性 腐蚀行为 摩擦学性能 

摘      要：镓基液态金属(GLM)因其优良的特性引起了众多研究人员的广泛关注,这种材料具有低毒、高导热率、高电导率、高分解温度和良好的流动性等特性,是一种新型、环保且性能优异的润滑剂,在高温、载流等特殊工况的摩擦学领域具有重要的应用前景。目前,国内外关于GLM润滑性能只做了初步的探索研究,大多集中在其对机械系统电能、热能的损耗方面的影响。本论文基于其高导热率和高分解温度的特点,通过加热法制备Ga65In25Sn10合金,系统的研究了不同环境下温度对GLM润滑性能和腐蚀行为的影响,揭示了相关的润滑和腐蚀机理。通过机械球磨的方式将银元素掺杂到GLM中,改变了其元素组成,探索微量元素对GLM润滑性能的影响,为改善镓基液态金属在高温下的润滑性能提供了参考依据。获得的主要结论如下:(1)真空环境中,温度对GLM的润滑性能具有重要影响。室温至800℃,Si3N4/T91钢摩擦副的平均摩擦系数介于0.15～0.39之间;室温至600℃内,T91钢盘磨损率在10-7～10-5 mm3/Nm之间,800℃时,磨损率在10-4 mm3/Nm量级,随着温度升高其润滑性能增强。GLM在宽温域范围内的润滑机理为:室温至200℃,磨损表面的镓膜为摩擦副提供边界润滑,400℃时,摩擦膜表面生成了 FeGa3晶体,其较高的硬度提高了富镓膜的承载力;600℃时,磨损表面生成大量的FeGa3晶体,富镓膜和FeGa3的协同润滑效应使GLM获得优异的润滑性能;800℃时,磨损表面的FeGa3晶体熔化形成光滑的摩擦膜,使得摩擦副具有最低的摩擦系数(0.15)。腐蚀的机制为:600℃时GLM中的镓原子与T91钢反应生成FeGa3晶体,而800℃时,高温导致镓原子的渗透速率提高,FeGa3膜不断脱落,表面出现大量空洞,GLM对T91钢内部造成严重的腐蚀。(2)通过机械研磨法制备了掺杂Ag的GLM,银元素的掺杂改变了摩擦界面成分和结构,进而影响了 GLM的润滑行为。室温和200℃下,Ag的添加抑制了镓元素的氧化,并生成了含Ag润滑膜,提高了润滑性,磨损率相较无掺杂时减小了一个数量级。400℃时,磨损表面形成的Ag20摩擦膜提高GLM的润滑性。T91钢的磨损率降低约50%。600℃时,磨损表面的摩擦膜相较无掺杂时更加致密,并且生成多种金属间化合物的复合膜,这些复合膜的协同作用降低了摩擦系数,磨损率降低约52%。(3)大气环境中,GLM的润滑性能随着温度升高不断提高。200℃～800℃范围内,T91钢盘的平均摩擦系数介于0.18-0.39之间;磨损率在10-6～10-5 mm3/Nm之间。磨损表面富镓膜的氧化程度对磨损率具有重要影响,氧化程度越小,磨损率越低。随着温度的升高,摩擦界面的氧化反应不断加剧,400℃时磨损表面的富镓膜被严重氧化,相较200℃时磨损率增大一个数量级。600℃时,磨损表面的FeGa3晶体能够有效的承受载荷,使磨损率降低。800℃时,FeGa3晶体熔化,磨损表面生成较多的Ga2O3使磨损率达到最大。