實驗艙α 對日定向裝置長壽命潤滑技術研究

姜景明，馬志飛，錢志源，黃大興，傅質彬

（上海宇航系統工程研究所，上海 201109）

0 引言

空間站實驗艙α 對日定向裝置是自國際空間站（International Space Station，ISS）對日定向轉動關節（Solar Array α Rotary Joint，SARJ））產品，從研制并于2006 年發射入軌運行以來，同類型對日定向驅動機構產品在國際上第2 次研制，同時也是我國該類型產品的首次研制。α 對日定向裝置是目前我國設計規模最大（直徑接近Φ1 760 mm）、電傳輸功率最大（50 kW 以上）、設計壽命最長（連續工作低軌12 年）且需長期旋轉運動的回轉運動類空間機構產品。

α 對日定向裝置是活動部件，考慮到其長周期連續運轉的工作特點，其相對轉動的機械關節和齒輪傳動鏈不可避免地出現摩擦磨損壽命降低的問題?；顒硬考膲勖彩侵萍s衛星等航天器壽命的主要因素［1-2］，因此針對活動部位摩擦接觸副潤滑方案設計，是決定產品在空間環境下使用壽命的主要因素。航天器潤滑有多種形式，20 世紀60 年代以美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和俄羅斯聯邦太空局（Russian Federal Space Agency，RKA）為代表的國際航天領域，在空間固體潤滑方面做了大量研究，NASA 已經意識到潤滑涂層暴露于空間環境，將極大地影響其使用壽命，進而增加國際空間站的維修成本。NASA 十分重視潤滑涂層的耐原子氧效應，提出二硫化鉬氧化穩定性等概念［3-4］。我國對固體潤滑研究起步相對較晚，從20 世紀70 年代開始關注MoS2基的固體潤滑基礎研究，而后不斷開展固體潤滑的工程應用，包括軸承和諧波減速器齒面等［5-9］。

實驗艙α 對日定向裝置服役期間長期暴露于空間環境，需耐受高低溫交變和原子氧等輻照環境。α對日定向裝置活動部件可分為齒輪、軸承和回轉支撐滾輪這3 類。其中主傳動齒輪齒面接觸應力在360 MPa 以上，輸出端累積轉動圈數達到6.8×104r?；剞D支撐機構滾輪面接觸應力在400 MPa 以上，使用壽命達到1.7×106r。軸承使用壽命更是要達到4.0×106r 量級。由于活動部件工作環境惡劣，承載工況苛刻，傳統的MoS2固體潤滑潤滑膜已無法滿足任務需求。根據活動部件的工作壽命、載荷工況、空間環境等差異，選用新型MoS2基潤滑膜、PM6 型潤滑膜和Au-TiN 潤滑膜。本文針對α 對日定向裝置長壽命潤滑方案，探究潤滑膜材料特性和摩擦學特性，同時開展原子氧侵蝕試驗，固液混合涂覆試驗等系列試驗，驗證所選用潤滑方案的可行性。

1 固體潤滑膜性能分析

空間潤滑膜的基本要求有固體潤滑膜與金屬基材的結合力、鍍層均勻性、較低的摩擦系數，以及滿足任務要求的使用壽命。航天器選用的固體潤滑膜需耐受空間環境，經力學試驗和熱真空試驗后，不出現膜層脫落和破壞現象［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，鍍膜表面應無大于10 μm 的燒蝕、銹蝕和污染物?；顒硬考兡ず?，摩擦副真空環境下摩擦系數不大于0.1，膜層均勻性不大于10%。

1.1 MoS2基潤滑膜摩擦學特性分析

目前空間機構精密運動部件潤滑處理中，MoS2是應用最為廣泛的固體潤滑潤滑膜材料之一［15］。MoS2的潤滑機理是其具有層狀的六方晶體結構，層內原子間以較強的共價鍵結合，層間為較弱的范德華力結合，在剪切力作用下層間易發生滑移，進而產生低摩擦［16-18］。通過調整和優化制備的工藝參數，并結合能量色散譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）元素分布面分析，MoS2基潤滑膜中Mo、S 和Au 3 種元素在所制備的潤滑膜內均勻分散如圖1 所示，獲得可滿足使用要求的MoS2潤滑膜。

圖1 MoS2 基復合潤滑膜中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1～10，針對潤滑膜厚度分別進行3 次測試，取均值統計見表1。試樣所示潤滑膜厚度均勻，基本在5%以內，符合預期。進行潤滑膜劃痕試驗測試，10 組樣本潤滑膜的臨界載荷LC（N）（同樣滿足指標要求。分析MoS2復合潤滑膜滑動摩擦曲線，不同試樣均表現出較好的摩擦學性能，摩擦系數保持在0.03～0.04 之間，耐磨壽命達到6.0×105r。試驗結果表明，MoS2復合潤滑膜的摩擦學性能穩定，且性能指標滿足GJB 3032—97 濺射二硫化鉬基自潤滑潤滑膜規范的要求。

表1 MoS2 基復合潤滑膜的厚度Tab.1 Thicknesses of the MoS2-based composite lubricating films

1.2 Au-TiN 潤滑膜摩擦學特性分析

實驗艙a 對日定向裝置部分傳動鏈直接暴露于空間環境中，空間原子氧環境對MoS2潤滑膜潤滑材料影響明顯，需選擇耐受原子氧性能的空間固體潤滑材料。Au 具有化學惰性，是良好的潤滑材料，但Au 屬于軟金屬材料，較低的硬度導致其耐磨性較差，為改善耐磨性，通過參雜TiN 硬質陶瓷實現［19-21］。

調整和優化制備的工藝參數，獲得潤滑膜結構致密、無明顯裂紋和孔隙的Au-TiN 復合固體潤滑膜。結合EDS 面分布圖分析，潤滑膜中Ti、N 和Au元素均勻分布如圖2 所示，表明潤滑膜形成了TiN相和Au 相均勻分布的彌散相結構。

圖2 Au-TiN 基復合潤滑膜中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

觀察潤滑層外觀，Au-TiN 復合固體潤滑膜表觀呈金黃色、有光澤，體視顯微鏡觀察發現潤滑膜表觀均勻、不露底材、無傷痕，膜層無裂紋和針孔。取同批次制備的樣本編號1～10，試樣所示潤滑膜厚度均勻，基本在3%以內，符合要求。進行潤滑膜劃痕試驗測試，結果見表2，潤滑膜與金屬基體間膜-基結合性能符合技術指標。分析Au-TiN 潤滑膜滑動摩擦圖線，摩擦系數保持在0.04～0.05 之間，耐磨壽命達到4.0×105r，同樣表現出較好的摩擦學性能。

表2 Au-TiN 復合固體潤滑膜的厚度Tab.2 Thicknesses of the Au-TiN-based composite lubricating films

1.3 PM6 潤滑膜摩擦學特性分析

PM6 是無機粘接潤滑膜，黏結劑為硅酸鈉。硅酸鈉具有優異的抗輻射性能，另外其中的鈉離子與硅原子均為高氧化態，難以再與氧發生反應，因此其耐原子氧性能也較為優異。MoS2潤滑劑被包埋在硅酸鈉形成的硅-氧網狀結構中，對原子氧具有屏蔽效果，因此潤滑層表現出較好的抗氧化性能。經輻照試驗考核，PM6 潤滑膜耐電離輻照總劑量達到5×107rad（Si），耐原子氧總劑量達到7.83×1026個/m2，滿足實驗艙α 對日定向裝置活動部件的使用要求。

開展真空銷-盤摩擦試驗，驗證PM6 潤滑膜摩擦學性能。試驗中，通過法向加載施加摩擦副接觸應力約為360 MPa，摩擦頻次為3 Hz，摩擦至可觀察到黏結固體潤滑涂層被磨穿或摩擦系數驟增時停止試驗。試驗結果如圖3 所示，PM6 潤滑膜穩定段摩擦系數為0.07～0.10，耐磨壽命大于2.8×105r，表明PM6 潤滑膜具有良好的潤滑特性，滿足空間潤滑的使用需求。

圖3 PM6 潤滑膜試片磨損試驗后微觀形貌Fig.3 Microstructure of the PM6-based lubricating film after wear tests

2 固體潤滑原子氧侵蝕試驗

MoS2潤滑膜受原子氧影響較為顯著，一般表現為摩擦系數增加，耐磨壽命降低。針對α 對日定向裝置所選用的MoS2潤滑膜開展原子氧侵蝕試驗，原子氧輻照條件見表3［22］。

表3 MoS2潤滑膜原子氧輻照試驗和摩擦試驗條件Tab.3 Conditions of the atomic oxygen irradiation tests and friction tests for the MoS2-based lubricating films

原子氧輻照試驗后，采用X 射線衍射和真空球-盤摩擦試驗機，對潤滑膜的結構和摩擦學性能展開研究，并與未輻照樣品進行比較。未輻照樣品的平均摩擦系數為0.04，輻照1、5 和10 d 樣品的平均摩擦系數分別為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。對比分析輻照與未輻照式樣，原子氧輻照可導致MoS2基潤滑膜摩擦系數的增大［23］，但對其耐磨壽命的影響并不明顯。

分析MoS2潤滑膜XRD 圖譜如圖4 所示，原子氧未輻照樣品的物相結構主要為MoS2和Au；原子氧輻照1 d 樣品的物相結構與未輻照樣品無明顯差異；原子氧輻照時間延長至5 d 時，樣品XRD 圖譜中出現氧化鉬衍射峰；原子氧輻照時間進一步延長至10 d 時，樣品中氧化鉬的含量增加。綜上所述，原子氧輻照引起MoS2基潤滑膜的氧化，且氧化程度隨輻照時間的延長而增加。

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

MoS2不耐原子氧環境，易被氧化而導致潤滑性降低。Au 具有良好的耐原子性能，在MoS2潤滑膜中參雜Au，形成MoS2-Au 多復合層潤滑膜的結構為多層結構，MoS2單層被Au 單層隔開，表層為MoS2層，該結構可以獲得良好的耐原子氧性能。但由于潤滑膜表層仍為MoS2層，在原子氧輻照過程中，表層部分被氧化MoO3等氧鉬化合物，進而導致輻照后試樣相對輻照前試樣摩擦系數有所增加。潤滑膜主體部分受Au 層保護未發生變化，因此輻照前后試驗耐磨壽命基本一致。

3 固體潤滑膜涂覆真空油脂試驗

實驗艙α 對日定向裝置傳動鏈主要活動部件采用固體潤滑方案，保證在軌服役期間活動部件處于較低的磨損水平。根據空間站總體任務要求，以及考慮空間站延壽等可能的未來需求，實驗艙α 對日定向裝置配備有在軌補油機構，可實現對傳動鏈補加潤滑油的功能。但固體潤滑膜涂覆真空潤滑油所形成的固液混合狀態往往因潤滑膜不同，表現出不同的試驗結果，因此需驗證固液混合狀態下潤滑效果。

選用9Cr18 材質的試片表面制備潤滑方案所確定的固體潤滑涂層，涂覆牌號為LWYZ-5 PFPE 基真空潤滑脂，標識樣本編號為1～6。對涂敷有LWYZ-5潤滑脂的PM6 潤滑涂層樣件，進行-50～+75 ℃的25.5 個熱循環試驗。熱試驗后擦除潤滑油脂，觀察固體潤滑膜外觀，如圖5 所示。涂覆油脂位置存在發亮油膜，是真空潤滑脂中基礎油附著在固體潤滑膜表面所導致。此外，涂覆位置未出現微裂紋，表面未出現起泡和潤滑膜剝落的情況。對試片進行附著力測試，所有試片潤滑膜附著力均達到一級，與油脂涂覆前附著力一致。試驗結果表明，油脂中基礎油僅附著在固體潤滑膜表面，未通過固體潤滑膜孔隙向內部浸潤，因此未出現高低溫交變現固體潤滑膜脹裂現象，不影響固體潤滑膜與金屬基體結合力。

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

對潤滑膜涂覆真空油脂的試片進行5.5×105次真空往復滑動截尾摩擦試驗。觀察試片狀態，磨痕位置仍保持固體潤滑膜本身顏色，未出現裸露金屬基體的情況?；瑒幽Σ燎€持平，摩擦系數整體保持在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滑狀態，有利于活動部件延長使用壽命。

圖6 MoS2 潤滑膜的滑動摩擦曲線Fig.6 Sliding friction curves for the MoS2-based lubricating film

4 潤滑膜壽命試驗驗證

在α 對日定向裝置所選用的固體潤滑膜材料和試片級試驗的基礎上，為充分驗證長壽命固體潤滑方案的可行性，在真空環境下，開展與在軌產品狀態一致的1∶1 真實壽命件的加速壽命試驗工作［24-25］。

地面壽命試驗累積完成了等效在軌19.37 年的考核。試驗期間，α 對日定向裝置力矩輸出平穩，傳動功能正常，穩定段傳動效率在0.96～0.97 之間。試驗后，檢查鍍膜齒輪副如圖7（a）所示，齒輪潤滑膜呈PM6 復合潤滑膜本色黑藍色，未見潤滑膜剝落和亮色金屬基底。齒輪嚙合形成的嚙合帶在各個輪齒位置相同，寬度相近，嚙合帶附近區域有局部黑色磨屑，符合固體潤滑膜通過散落的磨屑在摩擦副之間相互轉移，實現有效潤滑的一般規律?；剞D支撐機構滾輪金層光亮如圖7（b）所示，鍍層潤滑狀態良好，未出現磨損犁溝等現象。針對MS2基潤滑膜磨屑，分析X 射線光電子能譜如圖8 所示，結果顯示，主要元素為C、O、Mo、S、F 等潤滑材料和鍍Au層，完全覆蓋了基材本底材料Fe 和Cr，表明MoS2基潤滑膜完好，活動部件仍在有效潤滑的狀態下工作。

圖7 壽命試驗后固體潤滑涂層表觀狀態Fig.7 Apparent states of the solid lubricating films after life tests

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

5 結束語

本文通過對空間站實驗艙α 對日定向裝置活動部件固體潤滑膜展開研究，分析MoS2基復合固體潤滑膜和Au-TiN 復合固體潤滑膜摩擦學特性。α 對日定向裝置潤滑方案中所采用的固體潤滑膜充分考慮近地軌道空間環境原子氧影響，開展原子氧侵蝕試驗，驗證固體潤滑膜的耐受能力。在固體潤滑涂覆真空油脂的試驗中，檢驗了α 對日定向裝置在軌補油后摩擦副表面的有益效果。在α 對日定向裝置長壽命試驗中，活動部件的使用壽命遠超任務要求的12 年，固體潤滑膜完成了產品狀態下的工況環境考核，表明該潤滑方案效果良好，具有可行的工程推廣價值。