近日，我院梁彩平副教授团队联合田纳西大学在表面与涂层领域国际权威期刊《SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY》发表最新研究成果。文章题为“Tribocorrosion under seawaterboundary lubrication: A comparative study of WC-based coating systems with differentbinder phase continuity”，牛文旭博士为第一作者，梁彩平副教授为通讯作者，我校为第一通讯单位。
船舶推进系统中，艉轴在海水润滑与冷却条件下长期运行。一旦对中偏差或冲击载荷破坏水膜，接触界面就会进入边界润滑甚至混合润滑状态，机械磨损与氯离子腐蚀协同作用，材料失效速度远超单纯干摩擦场景。HVOF热喷涂WC基金属陶瓷涂层是应对这一挑战的主流技术路线。WC-10Co-4Cr以其高硬度著称，被广泛视为艉轴防护候选材料；但海水环境下，决定性能的是否仍然是硬度，始终存在争议。
图1 涂层制备工艺流程
1.方案设计
为解决这一问题，团队设计了以下测试方案：两种涂层粉末（WC-10Co-4Cr与Ni60-WC35，粒径均为15-45μm）经HVOF工艺（HP-6000煤油燃料系统）喷涂于34CrMo1A合金钢基体，涂层平均厚度约300μm。摩擦磨损测试采用RtecInstrumentsMFT5000往复式摩擦磨损测试系统，分别在空气（干摩擦）和人工海水（边界润滑）两种条件下进行，载荷覆盖10N、20N、30N，对磨球为Si3N4陶瓷球（直径6mm），频率2Hz，行程5mm，每组测试持续30分钟。磨痕三维形貌通过白光干涉仪量化，磨损率由体积损失计算。电化学测试在人工海水中完成，包括开路电位（OCP）监测、极化曲线扫描与电化学阻抗谱（EIS）；涂层表面化学态经XPS表征，相组成经XRD分析，截面显微组织与元素分布经SEM/EDS表征。
2.主要结果
干摩擦条件下，WC-10Co-4Cr（硬度1350±80HV）的磨损率在10N至30N载荷下仅为6.45-8.33×10⁻⁷mm³/(N・m)，对载荷不敏感，摩擦系数稳定在约0.60。Ni60-WC35（硬度920±70HV）磨损率随载荷显著升高，30N下达23.70×10⁻⁷mm³/(N・m)，约为WC-10Co-4Cr的2.8倍。SEM观察显示其磨面出现明显WC硬相脆性碎裂与界面脱粘，主导机制为疲劳分层。在空气环境下，硬度仍是决定耐磨性的核心变量。
图2 空气条件下三种材料摩擦系数与磨损率随载荷变化对比
切换至海水润滑后，Ni60-WC35在30N重载下摩擦系数稳定在0.25-0.30，低于WC-10Co-4Cr的0.30-0.35；磨损率为3.21-5.06×10⁻⁷mm³/(N・m)，与WC-10Co-4Cr的3.88-5.85×10⁻⁷mm³/(N・m)基本持平甚至更优――而这一成绩，是由硬度更低的涂层实现的。WC-10Co-4Cr在海水中摩擦系数波动加剧，EDS结果显示磨痕区域Cl元素沿相界面局部富集，表明海水已渗入粘结相通道，逐步削弱WC颗粒的界面约束。
图3 海水条件下摩擦系数与磨损率对比
对海水摩擦后的 Ni60-WC35 磨面进行XPS分析，O 1s 峰证实表面富集大量含氧物种；Ni 2p 峰拟合显示以NiO与Ni(OH)₂为主。这层摩擦化学膜在摩擦与腐蚀协同作用下原位生成，同时降低界面剪切强度并抑制腐蚀反应，是Ni60-WC35 在海水工况下性能反超的直接证据。
WC-10Co-4Cr磨面则缺乏类似的稳定保护膜，不连续的Co-Cr 粘结相既无法有效阻隔电解质，也难以支撑摩擦化学膜的持续再生。
图4 Ni60-WC35 海水摩擦后 XPS 图谱
3.机理解析
两种涂层在海水边界润滑下的失效路径，由一个核心结构差异决定：粘结相是否连续。
WC-10Co-4Cr中，Co-Cr 粘结相含量低、分布局部，颗粒间连接以短程桥接为主。海水沿相界面渗入后，循环剪切应力逐步腐蚀粘结相，界面结合弱化，WC 颗粒趋于松动脱落，成为第三体磨粒，反过来加剧界面破坏――形成渗入→弱化→脱粒→加速磨损的恶性循环。
Ni60-WC35中，连续Ni基体均匀包裹WC颗粒，截断了腐蚀性介质沿相界渗透的通道；高载荷下，连续基体通过局部塑性变形分散应力，以受控的表面分层代替突发失效，能量耗散更均匀。更关键的是，连续Ni基体为NiO/Ni(OH)₂摩擦化学膜提供了稳定的生长与再生基底，该膜层与海水润滑膜协同构成复合屏障，同时压制腐蚀反应与界面剪切。
在海水摩擦腐蚀环境中，基体连续性、电化学稳定性与摩擦化学膜形成能力，共同取代硬度成为性能的决定性因素。
此项研究用同一套完整的摩擦―腐蚀―电化学测试闭环，直接揭示了硬度主导到界面化学主导的机制切换过程，为船舶艉轴、水下运动副、海洋泵阀等需要兼顾耐磨与耐蚀的场景提供了清晰的涂层选择依据。该研究得到了工信部船舶高技术项目的支持，是我校在智能制造、船舶与海洋工程领域的又一标志性成果。
