关键词：轴承、极端工况、自润滑金属玻璃

摘要：
核电、深海探测等极端环境对轴承材料提出超高强度、耐腐蚀与自润滑的复合需求。本文综述碳化物基复合材料、金属玻璃及其复合材料的制备工艺与性能优化，结合表面改性与微结构设计，提出新一代极端工况轴承材料解决方案，使材料强度-韧性匹配达到150MPa·m1/2以上。

核心内容：

• 碳化物基复合材料：

• WC-CoCr梯度涂层：采用超音速火焰喷涂制备厚度1mm的梯度涂层，表面硬度达1700HV，心部韧性提升至20MPa·m1/2；

• TiC-Ni金属陶瓷：通过热压烧结（1450℃，30MPa）制备致密度>99%的复合材料，断裂韧性达12MPa·m1/2，抗热震温差>800℃；

• 碳化物增韧陶瓷：在Si₃N₄基体中引入原位合成TiC晶须（体积分数15%），弯曲强度提升至1100MPa，韦伯模数从5提高至12。

• 金属玻璃材料：

• Zr基块体金属玻璃：通过铜模铸造制备直径20mm的Zr₅₅Al₁₀Ni₅Cu₃₀合金，屈服强度达1900MPa，弹性应变极限>2%，硬度58HRC；

• 自润滑金属玻璃：在Zr基金属玻璃中添加5%石墨与3%Ag，形成纳米级润滑相，摩擦系数降低至0.05，耐磨性较单一金属玻璃提升3倍；

• 3D打印成型：采用激光选区熔化（SLM）制备复杂结构金属玻璃轴承，孔隙率<0.5%，表面粗糙度Ra<3μm。

• 微结构设计：

• 仿生蜂窝结构：通过激光加工在轴承套圈表面制备六边形蜂窝孔洞（孔径500μm，壁厚50μm），减重30%的同时提升散热效率40%；

• 梯度孔隙率设计：采用冷冻铸造法制备孔隙率从表面10%渐变至心部50%的多孔Ti合金，兼具高强度（800MPa）与自润滑性能（摩擦系数0.1）；

• 表面织构化：飞秒激光加工微凹坑阵列（直径10μm，深度5μm），储油量增加2倍，干摩擦寿命延长至10⁶转。

• 应用场景：

• 核电站主泵轴承：采用WC-CoCr梯度涂层轴承，在350℃、15MPa工况下运行5000小时无失效，抗辐照剂量达10⁷Gy；

• 深海探测器推进轴承：自润滑金属玻璃轴承在6000m水深、5MPa压力下摩擦系数稳定在0.08，寿命较传统青铜轴承提升10倍。