真空环境下WC-Co硬质合金摩擦磨损特性及其在月球深部钻探中的应用潜力研究

《Vacuum》：Friction and wear features of WC-Co hard alloy in vacuum towards potential application for lunar deep subsurface drilling

本文通过球-盘摩擦试验系统研究了WC-Co硬质合金在真空高低温交替环境下的摩擦学行为。研究发现，相较于常压环境，真空条件下材料摩擦系数（COF）和磨损率显著升高，并伴随磨损机制转变：常压时以磨粒磨损+氧化磨损为主，真空高低温（-120°C–150°C）交替则引发吸附膜解离、Si3N4对磨物粘附及WC相分解，导致粘着磨损主导。该研究为月球深部钻探用钻头材料优化提供了重要理论依据。

　　

Highlight

本研究通过多功能真空摩擦磨损试验机（MVT-2）模拟月球极端环境，系统分析了WC-Co硬质合金在真空高低温交替条件（-120°C–150°C）下的摩擦学性能演变规律。实验发现真空环境显著加剧材料磨损，其背后隐藏着从氧化磨损到粘着磨损的机制转变，这一发现为月球深部钻探工具材料设计提供了关键数据支撑。

Test setup and materials

为模拟月球表面极端工况，本研究采用球-盘式多功能真空摩擦磨损试验机（图1a）开展干摩擦试验。该设备可通过机械泵与分子泵调控真空度，利用液氮实现-120°C低温，并通过加热系统达成150°C高温，精准复现月球昼夜极端温度循环条件。

Friction behavior

图4对比了常温室温室压（Air RT）与真空高低温交替（Vac ?120°C–150°C）条件下WC-Co与Si₃N₄对磨的摩擦系数（COF）曲线。在15N、30N和45N载荷下，真空高低温环境的COF值分别为0.582±0.018、0.605±0.020和0.614±0.020，较常压条件提升62%。值得注意的是，真空环境下摩擦曲线稳定性显著增强，且随温度升高呈现明显上升趋势，揭示出极端环境对摩擦行为的协同强化效应。

Conclusion

本研究主要结论如下：

1. 1.
   真空高低温交替环境下WC-Co的摩擦系数（COF）显著高于常温室温条件，且随温度升高而递增；
2. 2.
   所有工况下磨损率均随载荷增加而上升，真空高低温条件引发WC相分解及对磨物粘附，导致粘着磨损成为主导机制；
3. 3.
   真空环境通过破坏表面吸附膜化学稳定性，加速材料骨架结构降解，为月球钻探工具寿命预测提供理论依据。