钛合金微动磨损性能影响因素

2023-02-02

微动磨损是一个极其复杂的过程，相关研究表明影响微动磨损的因素多达 50 余个，但经过研究者大量的实验工作总结得出，最主要的因素包括 2 个方面，分别为力学因素和工况因素。力学因素包括位移幅值、载荷、循环周次、频率等，工况因素包括温度、湿度、气氛、介质等，二者互相作用，协同影响着材料的微动磨损性能，大大增加了对微动磨损的研究难度，也导致目前尚没有系统且明确的微动磨损理论。由于航空航天、舰船等领域中钛合金零部件大多是在微动工况下进行工作，导致钛合金的微动损伤问题十分突出。

1. 1 力学因素

南京航空航天大学丁燕、成都飞机设计研究所柏林等采用正交试验设计法，以磨损量和摩擦因数作为指标，研究了位移幅值、频率以及载荷对 TC4-DT 和 TC21 钛合金微动磨损性能的影响。实验结果表明: 位移幅值、法向载荷对钛合金的微动磨损性能影响显著，而频率对其影响相对较小; TC4- DT 和 TC21 钛合金的磨损机制主要为磨粒磨损、粘着磨损和剥层磨损，在一定的实验条件下，其中一种磨损机理会占主导性作用。张亚非等研究表明，载荷、位移幅值和频率对钛合金的微动磨损性能及损伤机制均具有显著影响。中国科学院金属研究所 Wang 等在 TC4 钛合金的微动磨损研究中提出，在不同的外加位移和载荷作用下，可以通过微动磨损试验中微动循环次数对系统变形的影响来确定微动磨损的产生条件。

法国里昂中央学院摩擦学和系统动力学实验室的 Fouvry 等采用圆柱/平面的接触方式，研究了频率、法向载荷和位移幅值对钛合金微动磨损的影响。研究结果显示: 较低的频率、法向载荷以及较低的位移幅值，会导致磨损处氧化严重，磨损率较大，形成 U 形微动磨痕; 相反，增大频率、法向载荷以及位移幅值后，会在亚表面形成摩擦转化层结构( tribologically transformed structure，TTS) ，该结构能够一定程度上减少接触中心的氧化程度，形成 W 型微磨痕，同时磨损机理由磨粒磨损转变为粘着磨损。Peteghem 等认为，在实际微动磨损工况下法向载荷并不是固定不变的，而是伴随相对位移一同循环变化，因此开发了一种新的微动磨损系统，如图 2 所示。该微动磨损实验装置可以控制相对滑动方向和法向力的变化。采用该微动磨损装置研究了 TC4 钛合金在恒、变工况下的磨损过程和磨损动力学，实验结果证明: ① 法向载荷频率显著影响磨损率，频率越低，磨损率越低; ② 法向力的变化影响着磨损界面的结构，即恒定的法向力诱导形成封闭的磨损界面，而变化的法向力诱导形成开放接触的磨损界面。此外，Arnaud 等还提出了一种全新的包含第三体运动的有限元微动磨损模型来分析 TC4 钛合金微动磨损的机理，并通过对比试验证明了该模型的有效性。

图 2 微动磨损实验装置示意图

1. 2 工况因素

目前，关于特殊工况( 腐蚀、高温) 下钛合金微动磨损的研究相对较少。与大气环境下相比，特殊工况下的微动磨损机理更加复杂，对此开展研究也具有更加重要的意义。兰州理工大学俞树荣等采用 SＲV-IV 微动磨损试验台研究了 TC4 钛合金在不同环境介质和不同温度下的微动磨损行为。结果表明: 干摩擦中，磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损，同时伴随轻微氧化磨损; 在纯水介质中，磨损机制主要为疲劳磨损和磨粒磨损; 在模拟海水介质中，磨损和腐蚀之间有着复杂的“正交互作用”，磨损机制主要为磨粒磨损和腐蚀磨损。环境温度升高使微动磨损造成的磨屑更加致密，可以在一定程度上阻隔与摩擦副的接触，从而改善合金的微动磨损性能。沈桂琴等对钛合金在不同温度下的微动磨损也进行了研究，其结果与俞树荣等的实验结果相一致。丁红燕等研究了 TC11 钛合金在海水中的微动磨损行为，与纯水条件相比，表面摩擦系数较低，这主要是由于海水可以在摩擦副之间形成表面膜，使腐蚀与磨损呈现出反常的“负交互”规律。西南交通大学王勇高精度液压式微动磨损机，采用球/平面接触方式研究了临床中应用较多的金属生物材料 TA2 纯钛和 TC4 钛合金在大气、蒸馏水、生理盐水( Saline 溶液) 3 种不同环境下的微动磨损行为，结果表明 3 种环境下钛合金的摩擦系数很接近; TA2 纯钛和 TC4 钛合金在 Saline 溶液中易发生缝隙腐蚀。南京航空航天大学邓凯研究了 TC11 钛合金在模拟海水/纯水以及 150 ℃ /室温环境下的微动磨损性能。结果表明，TC11 钛合金在模拟海水中可形成特殊减摩层降低摩擦系数，磨损量低于纯水中; 与室温下相比，在 150 ℃ 环境下的微动磨损更严重。英国诺丁汉大学冶金与材料科学系 Waterhouse 等在 20、400、500、600 ℃ 的大气环境下对 IMI550、IMI679、IMI685 和 IMI829 4 种高温钛合金进行微动磨损试验，结果表明在微动和高温环境条件下，所有合金的磨屑均被压实形成厚度约 10 μm 的釉层，该釉层对磨损表面有较好的保护作用。

综上所述，目前关于各种影响因素对钛合金微动磨损的系统研究仍然欠缺，大多数研究都是在较为单一且恒定不变的力学条件和环境条件下进行的。不同的实验条件相组合，虽然可以得到不同的实验结果，但钛合金在实际应用中面临的是周期性变化的环境因素以及循环变化的力学因素，此时各种因素的“时变性”、“相干性”将会导致不同的微动磨损情况。因此，还需根据钛合金的实际服役情况，结合先进的科研技术系统地研究钛合金微动磨损的机理，为钛合金的工程应用及相关防护技术提供可靠的理论支持。