損傷容限型鈦合金TC4-DT的微動磨損性能

丁 燕，梁 軍，鄧 凱，柏 林，戴振東

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損傷容限型鈦合金TC4-DT的微動磨損性能

丁 燕1，梁 軍2，鄧 凱1，柏 林3，戴振東1

(1. 南京航空航天大學航天學院，南京 210016；2. 固體潤滑國家重點實驗室中國科學院蘭州化學物理研究所，蘭州 730000；3. 中國航空工業(yè)集團公司成都飛機設計研究所，成都 610041)

采用正交實驗設計法，選擇影響鈦合金微動磨損的位移、載荷、頻率3個主要因素，設計L16(45)正交表，研究鈦合金TC4-DT在不同試驗條件下的抗微動性能。以磨損量、摩擦因數(shù)為指標研究其微動摩擦磨損特性。結果表明：影響鈦合金TC4-DT微動磨損性能的3個因素中，位移、載荷為高度顯著影響，頻率為顯著影響。鈦合金TC4-DT的微動磨損為磨粒磨損、粘著磨損和剝層磨損交互作用的結果。

TC4-DT鈦合金；正交實驗；微動磨損性能

鈦合金比強度高、密度小、耐高溫和耐腐蝕性好，在航空航天、生物醫(yī)學、化工等領域有廣泛應用[1?2]。但鈦合金潤滑性和耐磨性差，對微動損傷十分敏感。研究表明微動會大幅度降低鈦合金的疲勞極限，如Ti-6Al-4V合金微動疲勞極限下降高達62%[3?6]。為擴大航空部門用鈦量、進一步提高飛機的穩(wěn)定性、安全性，國內也研制了具有自主知識產權的新型損傷容限型鈦合金TC4- DT[7?8]，以滿足我國先進飛機長壽命和損傷容限耐久性設計發(fā)展需求[9]。TC4-DT因鍛造性能優(yōu)異、熱處理工藝可控、焊接性能優(yōu)良、機械加工性能和耐腐蝕性能好，成為高性能飛機的關鍵結構材 料[10?12]。但用于聯(lián)接鉸鏈時發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)嚴重的微動磨損。早期STRAFFELINI等[13?16]認為鈦合金的磨損過程中產生的氧化物不能起到減磨作用導致鈦合金耐磨性較差，需要表面處理才能增加其耐磨性，限制了鈦合金本身磨損性能的研究[17?19]。在鈦合金TC4-DT研究中，常規(guī)摩擦磨損和微動磨損性能的研究報道亦較少。胥軍等[20]研究了TC4-DT鈦合金磨削表面的摩擦磨損性能，主要磨損機制是磨粒磨損、粘著磨損和剝離磨損。隨著TC4-DT鈦合金在飛行器中用量的增加，特別是作為關鍵結構件使用量的增大，其微動損傷問題逐漸突出，成為影響飛機安全的隱患之一。為此，需系統(tǒng)地研究TC4-DT鈦合金的微動磨損特性。本文作者采用正交試驗，研究TC4-DT鈦合金微動頻率、法向載荷和微動振幅等參數(shù)對TC4-DT的微動磨損性能的影響，為航空結構的安全性和可靠性設計提供 參考。

1 實驗

在飛機結構和相關部件中，主要的金屬材料有：鋁合金、鈦合金和鋼[21]。飛行一定航時發(fā)現(xiàn)，部分關鍵的金屬材料結構件出現(xiàn)了嚴重的磨損，且為不同的兩種金屬材料。本文作者根據(jù)實際工況，實驗條件為室溫干摩擦，循環(huán)周次為1×105次。微動磨損實驗在SRV-VI往復式微動摩擦磨損試驗機上完成，采用圓柱/平面接觸方式。上試樣PH13-8Mo鋼為圓柱體(尺寸為：直徑=6 mm，長度=16 mm，表面粗糙度a≤0.8 μm)，下試樣TC4-DT鈦合金為長方體(尺寸為：=20 mm，=10 mm，=7 mm，a≤1.6 μm)。鈦合金TC4-DT的化學成分(質量分數(shù))：92.44%Ti、5.64%Al、0.59%C。

微動磨損過程復雜，涉及的因素較多[22?27]。其中，微動頻率、法向載荷、微動振幅3個參數(shù)的影響顯著。正交實驗設計針對上述參數(shù)設定了4個因子水平(見表1)。根據(jù)TC4-DT鈦合金構件的工作條件，選定每個因子的實驗范圍：微動頻率10~40 Hz，法向載荷25~100 N，微動振幅50~400 μm。

表1 因子和對應的水平

用三維表面輪廓儀(NANOMAP500LS，美國)測試磨損率，測定磨痕的二維形貌曲線，將數(shù)據(jù)導入Origin軟件，進行積分計算可得磨痕的平均截面積，再乘以磨痕長度，即可得到磨痕體積(磨損量)，根據(jù)實際循環(huán)周次，計算出磨損量。用電子顯微鏡(JSM?5600LV，日本)觀察試樣磨痕，分析磨損機制。

2 結果與討論

2.1 磨損量的方差分析

表2所示為L16(45)正交表實驗方案及結果。表2中實驗序列對應TC4-DT鈦合金16組不同試驗參數(shù)下的微動磨損試驗。G為對應第個實驗TC4-DT鈦合金的磨損量，試樣的磨損量界于0.0469~1.4078 mm3之間。圖1列出試樣的磨損量，可見第1組試樣的磨損率最小(0.0469 mm3)，第14組試樣的磨損率最大(1.4078 mm3)，第2、4、7、10、13組試樣的磨損率較大。

根據(jù)所測試單位周次的磨損量結果，計算出因子(A)頻率、(B)載荷、(C)位移的比(見表3)。臨界值根據(jù)統(tǒng)計數(shù)學原理編制的分布表確定，依據(jù)檢驗的臨界值表查得，信度0.10時：0.10(3，6)=3.29，信度0.05時：0.05(3，6)=4.76，信度0.01時：0.01(3，6) =9.78。對于A因子，鈦合金TC4-DT的A=3.960＜0.05(3，6)，說明頻率對鈦合金TC4-DT的微動磨損有顯著影響；對于B、C因子，鈦合金TC4-DT的B=13.249＞0.01(3，6)，C=15.888＞0.01(3，6)，即載荷和位移對鈦合金TC4-DT的微動磨損有高度顯著的影響。

表2 正交實驗設計表

1,2,3,4respectively are sum of four levelsGdate;1and2are two types of errors;;

圖1 不同實驗因素下鈦合金TC4-DT的磨損率

表3給出了正交實驗方差分析的結果。根據(jù)表2中各水平對應的磨損量之和I，II，III，IV的大小可以看出，TC4-DT鈦合金A因子的1水平，B因子的1水平，C因子的1水平時單位周次磨損量最小，即TC4-DT鈦合金的微動磨損影響較小條件為A1B1C1，頻率為10 Hz，載荷為25 N，位移為50 μm，標記該條件下鈦合金試樣為TC4-DTmix。同理可得，TC4-DT鈦合金A因子的4水平，B因子的2水平，C因子的4水平時磨損量最大，即TC4-DT鈦合金的微動磨損影響較大條件為A4B2C4，頻率為40 Hz，載荷為50 N，位移為400 μm，標記該條件下鈦合金試樣為TC4-DTmax。該結果可預測3個主要影響因素在一定范圍內對鈦合金微動磨損影響最小和最大的參數(shù)條件。根據(jù)正交試驗的結果，測試了鈦合金在這兩種參數(shù)條件下的磨損量。在頻率為10 Hz，載荷為25 N，位移為50 μm條件下，鈦合金TC4-DT的G(TC4-DTmix)=0.0469 mm3；在頻率為40 Hz，載荷為50 N，位移為400 μm條件下，鈦合金TC4-DT的G(TC4-DTmax)=2.7819 mm3。

2.2 微動區(qū)域磨損形貌

圖2所示為TC4-DTMix、TC4-DTMax的二維形貌和SEM像。從圖2(a)和(b)可以看出，在不同的試驗條件下，鈦合金TC4-DT微動磨損接觸區(qū)域出現(xiàn)不同程度低于試樣基準表面的凹坑。圖2(a)所示為TC4-DTMix的二維磨痕。由圖2可知，呈現(xiàn)寬度約為20 μm，深度約為5 μm不規(guī)則的凹坑，而圖2(b)所示為TC4-DTMax的磨痕。由圖2(b)可知，凹痕寬度達到約1500 μm，深度達到約1000 μm，整個接觸區(qū)域均發(fā)生嚴重的損傷, 呈現(xiàn)明顯的材料流失。從圖2(c)、(d)可以看出，磨痕均呈現(xiàn)不同寬度的線狀，其摩擦表面凹凸不平，存在平行于滑動方向的溝槽痕跡。接觸區(qū)局部應力超過材料的塑性抗力極限，磨痕呈現(xiàn)明顯的塑性變形，磨損區(qū)主要是由與基體緊密結合的塑性變形層和覆蓋于塑變層表面的磨屑附著層共同疊加組成。由磨痕的放大形貌圖可清晰地觀察到塑性變形層，TC4-DTmax磨痕表面絕大多數(shù)區(qū)域被磨屑層覆蓋，磨屑多為粒狀，局部裸露出塑變層的表面。該層TC4-DTmix、TC4-DTmax均呈現(xiàn)較清晰的損傷的痕跡，彗星狀的磨痕以及犁溝，磨損表面存在大小不等的結疤和材料缺失的現(xiàn)象。由高倍形貌圖可以看出細小顆粒狀磨屑覆蓋層，塑性變形層材料剝落形成大片磨屑，因為位移幅較大，經(jīng)過反復碾壓形成細碎磨屑，細小磨屑比較容易轉移排出接觸面，磨屑層較薄，損傷較為嚴重。

表3 方差分析

2.3 磨屑

圖3(a)、(b)所示為TC4-DTmix、TC4-DTmax的磨屑SEM像。從圖中可以看出，TC4-DTmix的磨屑多為細碎的顆粒狀，直徑在0.3~3 μm之間，而TC4-DTmax磨屑一部分成為細小的磨屑，而另一部分為薄而長的片狀結構。是由于隨著載荷和位移的增大，在摩擦過程中剪切變形不斷積累，使表面下一定深度處形成裂紋，裂紋在一定深度沿平行于表面的方向延伸，當裂紋擴展到臨界長度后，在裂紋與表面之間的材料以片狀磨屑的形式剝落下來，說明試樣在該條件下剝層磨損加劇。對TC4-DTmax磨痕進行EDS分析(見圖3(c))可見，表面除了鈦合金本身的組成成分外，還出現(xiàn)了Fe、O元素，F(xiàn)e是從對摩擦副(PH13-8Mo鋼)轉移而來。另外氧的含量較高，說明磨損面的確被氧化成氧化膜，進一步對其片狀磨屑進行能譜分析(見圖3(d))，與磨痕相比，O和Fe含量較高，說明含有鈦合金TC4-D和PH13-8Mo鋼兩種成分的磨屑。從圖2、3可以看出：TC4-DT鈦合金的磨損表面形貌基本一樣，存在犁溝劃痕磨屑、塑性變形、分層和剝離現(xiàn)象，說明TC4-DT鈦合金的磨損不是一種機理在起作用，而是粘著磨損、磨粒磨損、剝層磨損同時存在，只是在一定實驗條件下，某種機理起重要效用。

圖2 鈦合金TC4-DT的SEM像和二維形貌圖

圖3 磨屑的SEM像與EDS譜

2.4 摩擦因數(shù)

為了分析TC4-DT鈦合金在某一條件下的摩擦因數(shù)曲線變化，對兩組試驗的試樣進行分析，并根據(jù)摩擦因數(shù)點的分布，擬合成摩擦曲線(見圖4)。圖4(a)所示為TC4-DTmix摩擦因數(shù)曲線，穩(wěn)定階段的平均摩擦因數(shù)約0.7，摩擦點的變化范圍較小，摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定。圖4(b)所示為TC4-DTmax的摩擦因數(shù)曲線，摩擦點振動范圍增大，在0.6~1.0之間，平均摩擦因數(shù)為0.8。

圖4 TC4-DT鈦合金的摩擦因數(shù)曲線

從圖4(a)，(b)可以得出，微動的初始階段(跑合階段)由于TC4-DT鈦合金接觸表面未破裂，曲線中的摩擦因數(shù)均較低。幾個循環(huán)后在往復相對作用下，污染膜受到剪切和擠壓作用開始逐漸破裂，材料發(fā)生直接接觸，實際接觸面積增大，由于接觸處的表面粘著和塑性變形，摩擦因數(shù)迅速增加。此后局部開始出現(xiàn)顆粒剝離，大量顆粒的累積在表面形成第三體層，起到固體潤滑的作用，逐漸由二體向三體磨損轉變。經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，表面的形貌由于顆粒的不斷剝離發(fā)生變化，磨屑在微動擠壓作用下逐漸發(fā)生碎花，當磨屑的產生與溢出速率保持動態(tài)平衡，因此摩擦因數(shù)變化較小，趨于穩(wěn)定值。而相比之下，TC4-DTmax的摩擦因數(shù)較大，是由于剝層磨損使摩擦表面變粗糙，脫落的大片狀磨屑夾持于對磨面之間，導致摩擦因數(shù)和磨損量都會增大。

3 結論

1) 采用正交試驗，對不同條件下TC4-DT鈦合金的微動磨損性能進行研究，根據(jù)磨損量及其方差分析，結果表明：位移、載荷對鈦合金的微動磨損性能為高度顯著影響，頻率為顯著影響。

2) 頻率為10 Hz、載荷為25 N、位移為50 μm條件下，鈦合金TC4-DT微動磨損量最??；頻率為40 Hz、載荷為50 N、位移為400 μm條件下，鈦合金TC4-DT微動磨損量最大。

3) TC4-DT鈦合金的微動磨損表面形貌特征為存在犁溝劃痕磨屑、塑性變形、分層和剝離現(xiàn)象。磨損機理主要為磨粒磨損、粘著磨損和剝層磨損，只是在一定實驗條件下，某種機理起重要效用。

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(編輯 龍懷中)

Fretting wear of damage tolerance TC4-DT alloy

DING Yan1, LIANG Jun2, DENG Kai1, BO lin3, DAI Zhen-dong1

(1. College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;2. State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Lanzhou 730000, China;3. China Aviation Industry Corporation, Chengdu Aircraft Design and Research Institute, Chengdu 610091, China)

The fretting wear characteristics of TC4-DT alloy were studied using orthogonal design experiment. According to the three major factors that affect the fretting wear of titanium alloy, the anti-fretting properties of TC4-DT alloy by L16 (45) orthogonal table were studied. The fretting friction and wear characteristics were evaluated by the abrasion and friction coefficient. The results show that displacement and load are highly significant factors whereas frequency is significant factor for the fretting wear performance of TC4-DT alloy. The fretting properties of TC4-DT alloy are the results of the interaction of abrasive wear, adhesive wear and peel wear.

TC4-DT alloy; orthogonal design experiment; fretting wear property

Project (LSL-1409) supported by the Opening Project of State Key Laboratory of Solid Lubrication; Project (61161120323) supported by the National Natural Science Foundation of China

2015-11-01; Accepted date:2016-12-19

DING Yan; Tel: +86-25-84892581-802; E-mail: nuaadingyan@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.03.011

1004-0609(2017)-03-0532-07

TH117.1

A

固體潤滑國家重點實驗室開放課題資助項目(LSL-1409)；國家自然科學基金資助項目(61161120323)

2015-11-01；

2016-12-19

丁 燕，實驗師；電話：025-84892581-802；E-mail：nuaadingyan@163.com