蒸餾水中TC4合金微動(dòng)磨損特性

宋偉，孫璐，景鵬飛，俞樹榮

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蒸餾水中TC4合金微動(dòng)磨損特性

宋偉，孫璐，景鵬飛，俞樹榮

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州，730050)

針對(duì)TC4合金在蒸餾水中的微動(dòng)磨損行為，采用典型微動(dòng)磨損試驗(yàn)分析不同摩擦配副材料下法向載荷與磨損形貌、摩擦因數(shù)和磨損性能的關(guān)系。研究結(jié)果表明：蒸餾水中TC4合金微動(dòng)磨損機(jī)制是疲勞脫層、磨粒磨損；蒸餾水中的摩擦因數(shù)曲線呈上下持續(xù)波動(dòng)；在蒸餾水中GCr15/TC4摩擦因數(shù)比Si3N4/TC4的大，而且后者摩擦因數(shù)曲線突變的峰值遠(yuǎn)比前者的大；載荷增加磨損體積和磨損率均會(huì)增大，并且兩者的變化趨勢(shì)與摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)一致；在50，80和100 N這3種載荷下，GCr15/TC4磨損體積和磨損率均比Si3N4/TC4的大，Si3N4/TC4耐磨性比GCr15/TC4的耐磨性強(qiáng)，蒸餾水中Si3N4球作摩擦副材料時(shí)耐磨性較強(qiáng)；蒸餾水中TC4合金的腐蝕和磨損交互作用的比率非常小且為負(fù)值，說明蒸餾水只有潤(rùn)滑作用，TC4合金的材料流失量主要由機(jī)械磨損控制。

TC4合金；微動(dòng)磨損；蒸餾水；交互作用

微動(dòng)是指發(fā)生在兩接觸表面之間的局部相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其振幅不超過300 μm[1?4]。零部件之間的長(zhǎng)期微動(dòng)會(huì)造成微動(dòng)損傷，這種損傷形式在鐵建、核反應(yīng)堆、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛存在[5]。根據(jù)微動(dòng)的作用機(jī)理，微動(dòng)可以分為微動(dòng)磨損、微動(dòng)腐蝕和微動(dòng)疲勞共3類，每種微動(dòng)都可顯著降低構(gòu)件的服役壽 命[6?7]，因其具有危害的隱蔽性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，已成為關(guān)鍵零部件失效的主要原因，也成為人們研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[8?9]。TC4合金因具有很多優(yōu)良性能以及極好的生物相容性成為鈦合金家族中研制最早、工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的合金，是航空航天領(lǐng)域最常用的金屬材料；但TC4合金因其自身局限性和缺點(diǎn)，在使用過程中極容易造成損傷[10?11]，導(dǎo)致某些構(gòu)件的疲勞壽命降低30%~80%，如：輸送工程管道里的球閥在微幅振動(dòng)時(shí)，球體與閥體面間存在微動(dòng)磨損；油田的錨泊鋼索因微動(dòng)腐蝕而失效[12?13]。只要存在液體介質(zhì)，微動(dòng)磨損產(chǎn)生的影響便與干空氣產(chǎn)生的影響不同，即潤(rùn)滑和腐蝕起協(xié)同作用，因此，對(duì)液體介質(zhì)下的微動(dòng)磨損行為和機(jī)制進(jìn)行研究有重要意義。為此，本文作者采用球/平面接觸方式，并與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl溶液中的微動(dòng)腐蝕機(jī)理進(jìn)行對(duì)比，探討鈦合金在水介質(zhì)下的微動(dòng)磨損機(jī)制和磨屑的演化過程，分析其在蒸餾水中TC4合金腐蝕磨損的交互作用。

1 試驗(yàn)

上試樣分別是直徑為10.0 mm的GCr15球(維氏硬度約680)和Si3N4球(維氏硬度約1 500)，下試樣是直徑×高為24.0 mm×7.8 mm的TC4合金圓柱(維氏硬度約300)，化學(xué)成分見表1。對(duì)試驗(yàn)所需試樣的制備過程如下：用180~7000號(hào) SiC金相砂紙手工拋磨、機(jī)械拋光、用100 mL自制的腐蝕劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%氫氟酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為69%的硝酸、蒸餾水的體積比為1:3:16)擦拭腐蝕約20 s、清洗干燥備用。在SRV-IV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(德國(guó)Optimol油脂公司)上作球/平面接觸方式的微動(dòng)磨損試驗(yàn)。主要試驗(yàn)參數(shù)如下：微動(dòng)循環(huán)周次1.8×105；載荷分別為50，80和100 N；振幅=?100~100 μm；頻率為50 Hz；實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃；相對(duì)濕度為20%~25%。用注射器每隔15 min將蒸餾水注射到接觸區(qū)，使接觸區(qū)域完全被液體封閉。

表1 TC4合金的化學(xué)元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

試驗(yàn)前對(duì)上、下試樣用酒精擦拭清洗，保證接觸面潔凈。試驗(yàn)完畢后保持試樣原貌，用酒精清洗、干燥后用Quanta FEG 250場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分析磨痕表面形貌。在試驗(yàn)過程中由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集摩擦因數(shù)；用三維輪廓儀測(cè)量磨損體積。本文所采用的技術(shù)路線圖見圖1。

圖1 技術(shù)路線

2 結(jié)果分析

2.1 表面形貌分析

GCr15/TC4在蒸餾水中的磨痕形貌SEM圖見圖2。從圖2(a)，(d)和(g)可知：蒸餾水中磨損產(chǎn)生的磨痕形貌總體比較完整，邊緣輪廓清晰，在增大接觸載荷的同時(shí)，接觸區(qū)域承受擠壓和剪切應(yīng)力的雙重作用，從而在亞表面產(chǎn)生許多微裂紋并向表面擴(kuò)展，最終TC4合金產(chǎn)生疲勞脫落，加劇表面磨損破壞程度；當(dāng)載荷為50 N時(shí)，表面形貌中心存在與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致的劃痕，邊緣則出現(xiàn)黏著磨損現(xiàn)象，有連續(xù)的磨屑?jí)簩?shí)區(qū)。從圖2(b)，(e)和(h)可知：增大接觸載荷時(shí)，大量堆積的磨屑在擠壓和剪切的雙重作用下促使黏著磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp，TC4合金大面積脫落，局部區(qū)域存在浮雕特征的黏著磨損；當(dāng)載荷增加到100 N時(shí)，有大量的絮狀磨屑散落在接觸表面，說明此時(shí)磨損完全由磨粒磨損主導(dǎo)。從圖2(h)可以看到龜裂和基體材料脫落所形成的凹坑，在材料剝落的區(qū)域常常聚集很多微動(dòng)裂紋，這不僅說明該區(qū)域應(yīng)力過度集中，更進(jìn)一步證實(shí)微動(dòng)裂紋是疲勞脫落的基礎(chǔ)。由圖2(b)，(e)和(h)可以看出在微動(dòng)接觸區(qū)域的磨屑以顆粒狀、層片狀以及摩擦熱燒結(jié)而成的塊狀存在。這可用磨屑的演化過程來描述：大尺寸磨屑經(jīng)過上試樣的碾壓變成細(xì)小的顆粒狀磨屑，接觸區(qū)域產(chǎn)生的摩擦熱使這些聚集的顆粒狀磨屑燒結(jié)成塊，此過程可延續(xù)至試驗(yàn)終止；隨著載荷增加，顆粒狀和層片狀磨屑數(shù)量顯著增加，形成2種磨屑混合的聚集區(qū)，該聚集區(qū)域因壓力增加，導(dǎo)致兩相磨屑發(fā)生焊合而重新形核，通過上試樣反復(fù)擠壓而覆蓋在接觸表面，從而形成連續(xù)的第三體壓實(shí)區(qū)，這時(shí)，接觸區(qū)域很明顯從二體接觸轉(zhuǎn)變成二、三體混合接觸，接觸區(qū)域存在因磨屑被磨損產(chǎn)生犁溝，此時(shí)，微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)為混合滑移狀態(tài)；邊緣形貌則呈現(xiàn)磨屑因上試樣推擠變形而產(chǎn)生的層層壓實(shí)區(qū)和疲勞脫落現(xiàn)象，見圖2(c)，(f)和(i)。

載荷/N：(a) 50；(b) 50；(c) 50；(d) 80；(e) 80；(f) 80；(g) 100；(h) 100；(i) 100

Si3N4/TC4在蒸餾水中的磨痕形貌SEM圖見圖3。從圖3可以看出：當(dāng)載荷較小時(shí)(50 N和80 N)，出現(xiàn)黏著磨損現(xiàn)象，邊緣有刮擦的痕跡，存在較嚴(yán)重的黏著現(xiàn)象；當(dāng)載荷為100 N時(shí)，在磨粒被磨損的同時(shí)，隨著載荷增加產(chǎn)生輕微的脆性脫落現(xiàn)象。由于摩擦過程中有大量的摩擦熱產(chǎn)生，此外，微動(dòng)接觸區(qū)域較小，磨屑很難排出，故在接觸區(qū)域表面聚集、燒結(jié)成塊狀；Si3N4球中Si與蒸餾水、氧氣發(fā)生反應(yīng)生成質(zhì)軟、剪切強(qiáng)度大的SiO2凝膠，同時(shí)，由于TC4自身黏著性較強(qiáng)，大量磨屑很難排出，與凝膠膜混合在一起堆積在磨損邊緣，并在磨損表面產(chǎn)生沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的劃痕，產(chǎn)生的膜層沿短軸方向經(jīng)上試樣擠壓最終擴(kuò)展到整個(gè)表面，邊緣出現(xiàn)較淺的犁溝及氧化的磨屑/凝膠層，見圖3(a)；大量黏結(jié)的TC4材料在剪切力作用下脫落演變形成磨屑，隨后，蒸餾水帶走部分磨屑，形成黏結(jié)剝落，見圖3(b)；當(dāng)載荷增加至100 N時(shí)，TC4合金內(nèi)部拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替作用的頻率加快，產(chǎn)生疲勞損傷，在接觸區(qū)域與非接觸區(qū)域的邊緣有裂紋萌生，而且TC4合金的內(nèi)部也出現(xiàn)剪切應(yīng)力，使得平行于表面的微裂紋快速萌生，并向表面擴(kuò)展。蒸餾水的分子直徑僅為4×10?10m，但極性極強(qiáng)[14]，對(duì)于鈦合金這種化學(xué)活性強(qiáng)的合金來說，水分子容易滲透，這幾個(gè)因素共同作用使磨損的中心區(qū)域產(chǎn)生疲勞脫落。脫落是逐層發(fā)生的[10]，疲勞剝落的邊緣因塑性變形呈現(xiàn)亮白色。

載荷/N：(a) 50；(b) 80；(c) 100

從圖3可以看到表面有些區(qū)域顏色比較暗，這是因?yàn)橹茦又杏形廴疚锔皆诒砻?，在試?yàn)過程中有殘留的磨屑等物質(zhì)，這些物質(zhì)暴露在空氣中就會(huì)氧化，致使這些區(qū)域顏色較深。從圖2和圖3可知：1) 不管采用何種摩擦副，蒸餾水中所產(chǎn)生的磨痕表面都比較平滑，只發(fā)現(xiàn)大量的淺平凹坑以及細(xì)微的淺犁溝，在剝落坑內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕特征，這說明在蒸餾水中TC4合金的主要磨損機(jī)理是磨粒磨損和疲勞脫落，Si3N4/TC4表面覆蓋散落的顆粒狀的磨屑數(shù)量要比GCr15/TC4的數(shù)量多；2) 水基介質(zhì)的存在對(duì)磨屑的演化具有兩面性，既起促進(jìn)作用，也起抑制作用，這主要取決于具體工況。

為進(jìn)一步觀察材料脫落區(qū)域的形貌，將100 N下的表面形貌進(jìn)行局部放大，見圖4。從圖4可以看到塊狀磨屑層層壓實(shí)在基體表面，形成臺(tái)階狀的第三體層。由于上下試樣的反復(fù)擠壓，在塊狀磨屑的表面可以看到有細(xì)小的裂紋和磨屑脫落，在塊狀磨屑沒有覆蓋的地方可以看到沿運(yùn)動(dòng)方向劃過的較淺犁溝痕跡，氧化后的磨屑成分復(fù)雜，硬度較高，可以充當(dāng)磨粒，從而在TC4合金的表面形成擦傷或者犁溝形貌；塊狀磨屑在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生較嚴(yán)重的塑性變形，在表面和內(nèi)部進(jìn)一步產(chǎn)生垂直和平行的裂紋，裂紋交匯擴(kuò)展，最終產(chǎn)生疲勞脫落形成凹坑。在凹坑的內(nèi)部可以看到許多大顆粒狀的磨屑彌散其中而其周圍存在疏松的塊狀磨屑層，這些塊狀磨屑層有的表面顏色較深，其原因是：試樣放置時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致被氧化；有雜質(zhì)覆蓋其上。

圖4 Si3N4/TC4在蒸餾水中的磨痕形貌SEM圖

2.2 摩擦因數(shù)分析

摩擦副對(duì)摩擦因數(shù)的影響見圖5。從圖5可知：蒸餾水中摩擦因數(shù)曲線的變化主要集中在微動(dòng)磨損初期，即大約在試驗(yàn)開始后的600 s內(nèi)，此后曲線會(huì)趨于穩(wěn)定直至試驗(yàn)結(jié)束。這是因?yàn)楫?dāng)試驗(yàn)剛開始時(shí)，在所施加的載荷作用下，上、下試樣相互接觸，TC4合金表面所覆蓋的一層薄膜(包含氧化物、污染物等)被破壞，新鮮金屬裸露，使得上、下試樣之間直接接觸，而且在小位移往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，由于接觸表面凹凸不平，接觸點(diǎn)之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生相互交錯(cuò)，使得運(yùn)動(dòng)阻力增加[15]，從而摩擦因數(shù)突然增大。

摩擦副：(a) GCr15/TC4；(b) Si3N4/TC4 載荷/N：1—50；2—80；3—100。

隨著磨損過程進(jìn)行，蒸餾水經(jīng)過上試樣的碾壓進(jìn)入接觸區(qū)域，起到潤(rùn)滑減摩的作用，同時(shí)，磨屑不斷產(chǎn)生—溢出，起到第三體潤(rùn)滑作用；此外，接觸表面上大量的磨屑堆積可以使應(yīng)力分布比較均勻，并使其有所減弱；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到中后期時(shí)，磨屑的產(chǎn)生—溢出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，微動(dòng)磨損進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段，摩擦因數(shù)自然會(huì)下降且趨于平穩(wěn)。由此可以得出在蒸餾水中進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn)所得到的摩擦因數(shù)曲線可以分為2個(gè)階段即初始階段和穩(wěn)定階段，從圖5可以看出穩(wěn)定時(shí)間占整個(gè)磨損時(shí)間的2/3。

對(duì)比圖5(a)和(b)可知：

2) 在試驗(yàn)進(jìn)行的前300 s內(nèi)，Si3N4/TC4摩擦因數(shù)曲線存在1個(gè)顯著的突變峰值(從最初的0.6迅速下降到0.2左右)，此后保持較穩(wěn)定的狀態(tài)直至試驗(yàn)結(jié)束。共原因是：一方面，磨屑的存在對(duì)Si3N4/TC4摩擦因數(shù)的影響比對(duì)GCr15/TC4摩擦因數(shù)的影響更顯著；另一方面，Si3N4球的硬度遠(yuǎn)比GCr15球的硬度高，試驗(yàn)開始后，在施加法向載荷的瞬間，Si3N4球會(huì)將TC4合金的接觸區(qū)域迅速向下壓出凹坑，兩者接觸區(qū)域的表面產(chǎn)生劇烈磨損，使得摩擦因數(shù)突然上升；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，磨屑產(chǎn)生，細(xì)小顆粒的磨屑在接觸區(qū)域會(huì)充當(dāng)“滾珠”的作用，使得在磨屑較多之處，接觸區(qū)域由滑動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，蒸餾水也會(huì)被擠入接觸區(qū)域，兩者共同起到潤(rùn)滑的作用，摩擦因數(shù)又會(huì)大幅度降低，最終表現(xiàn)為Si3N4/TC4摩擦因數(shù)曲線突變的峰值遠(yuǎn)比GCr15/TC4曲線突變的峰值大。

(a) GCr15/TC4，100 N；(b) Si3N4/TC4，100 N

介質(zhì)對(duì)摩擦因數(shù)影響的示意圖見圖6。對(duì)比圖6(a)和(b)可知：

1) 當(dāng)摩擦副為Si3N4/TC4時(shí)，2種介質(zhì)下對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)的差值遠(yuǎn)比GCr15/TC4的大，這主要與所選上試樣的材料特性有關(guān)。一方面，Si3N4球本身具有良好的自潤(rùn)滑性，在蒸餾水中進(jìn)行摩擦?xí)r與周圍的氧等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不斷生成SiO2凝膠膜，這層膜與產(chǎn)生的磨屑混合起到減摩的作用；另一方面，Si3N4球的硬度要比TC4合金的硬度大得多，因此，在摩擦磨損過程中Si3N4/TC4的黏著程度遠(yuǎn)沒有GCr15/TC4的黏著程度嚴(yán)重，更多表現(xiàn)為脆性剝落，此時(shí)，溶液所起的潤(rùn)滑效果在摩擦因數(shù)曲線中表現(xiàn)得更顯著。

2) 不論采用何種摩擦副，蒸餾水中的摩擦因數(shù)小于3.5% NaCl溶液下的摩擦因數(shù)，說明蒸餾水在微動(dòng)磨損過程中所起的潤(rùn)滑效果與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液相比更顯著，但是總體來說，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液下所得的摩擦因數(shù)曲線較平穩(wěn)。

由圖5和圖6可知：1) 在試驗(yàn)進(jìn)行初期，磨屑的形成速度和數(shù)量對(duì)摩擦因數(shù)曲線的影響很大，但在實(shí)驗(yàn)后期，因?yàn)槟バ嫉男纬珊鸵绯鲞_(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，且其他因素的影響顯著，故磨屑對(duì)摩擦因數(shù)的影響反而減弱；2) 不論采取何種摩擦副，在蒸餾水中所得的摩擦因數(shù)曲線持續(xù)上下波動(dòng)，這是由于微動(dòng)磨損過程接觸區(qū)域面積較小，單位時(shí)間內(nèi)摩擦較劇烈且集中，因此，會(huì)有大量的摩擦熱產(chǎn)生，出現(xiàn)“閃溫”，這會(huì)使得蒸餾水蒸發(fā)，接觸區(qū)域處于半干半濕狀態(tài)，從而使摩擦因數(shù)始終在小范圍內(nèi)上下波動(dòng)；此外，在微動(dòng)磨損過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量磨屑，磨屑一部分被蒸餾水沖出接觸區(qū)域，還有一部分聚集在接觸界面造成磨屑堆積、碾壓平鋪，這樣就避免了上、下試樣直接接觸，在微動(dòng)過程中，所形成的膜層不斷破壞—修復(fù)[18]，從而造成摩擦因數(shù)曲線不穩(wěn)定；3) 若在水基溶液中加入其他離子，則會(huì)使得相應(yīng)的摩擦因數(shù)曲線比較平穩(wěn)，但所得到的摩擦因數(shù)較高，這說明混合溶液的潤(rùn)滑性能與蒸餾水相比要優(yōu)良很多，但會(huì)加劇TC4合金的磨損。

2.3 載荷對(duì)磨損率和磨損體積的影響

本文以磨損體積和磨損率為指標(biāo)衡量TC4磨損性能。磨損體積由三維輪廓儀直接測(cè)得，磨損率可以通過位移和載荷以及磨損體積得出[19]，載荷對(duì)TC4磨損性能的影響如圖7所示。

式中：為磨損率(mm3/(N·mm))；為磨損體積(mm3)；為位移(mm)；為載荷(N)。從圖7可知：

1) 當(dāng)振幅一定時(shí)，不同摩擦副的磨損量與法向載荷呈正相關(guān)增大；隨著載荷增加，磨損量也隨之增加；前段的增長(zhǎng)速率要低于后段的增長(zhǎng)速率，這是由于在試驗(yàn)過程中持續(xù)滴加蒸餾水，使得磨屑更易溢出接觸面，削弱磨屑固體潤(rùn)滑的效果；在微動(dòng)磨損進(jìn)行過程中，基體金屬表面的減摩膜層破壞—修復(fù)不斷循環(huán)交替，也會(huì)加劇TC4的磨損；摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)與磨損量的變化趨勢(shì)一致。

(a) 磨損體積；(b) 磨損率

2) GCr15/TC4的磨損量比Si3N4/TC4的大。這是因?yàn)樵谡麴s水中，Si3N4球在摩擦磨損過程中會(huì)與蒸餾水和周圍環(huán)境中的氧氣發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)生成SiO2凝膠，造成Si3N4/TC4的黏著程度比較嚴(yán)重，從而加速了TC4合金材料的流失。

3) GCr15/TC4的磨損率比Si3N4/TC4的磨損率大，說明蒸餾水中Si3N4/TC4耐磨性能比GCr15/TC4的耐磨性能優(yōu)，故Si3N4球在蒸餾水中作摩擦副材料時(shí)，TC4磨損性能最好，但因?yàn)镾i3N4球有自潤(rùn)滑性，對(duì)于其本身來說磨損反而加劇。隨著載荷增加，TC4合金的磨損率有繼續(xù)增大趨勢(shì)，這說明在蒸餾水中，TC4合金的磨損仍然處于部分滑移區(qū)，微動(dòng)磨損隨著載荷的增加更加嚴(yán)重，蒸餾水的持續(xù)加入使得大量的磨屑沖出，削弱了第三體的調(diào)節(jié)和保護(hù)機(jī)制，從而使磨損率持續(xù)增加。

2.4 腐蝕磨損的交互作用分析

目前，人們對(duì)磨損和腐蝕的交互作用的分析還不夠完善，針對(duì)金屬腐蝕磨損交互作用提出的數(shù)學(xué)模型都有缺陷[20?21]。由于本試驗(yàn)采用的介質(zhì)是蒸餾水，必須考慮潤(rùn)滑作用。本試驗(yàn)的腐蝕磨損交互作用的數(shù)學(xué)模型可采用[22]

腐蝕和磨損交互作用比率可由下式計(jì)算：

式中：t為微動(dòng)腐蝕總量，μm3，采用蒸餾水中的微動(dòng)磨損體積；c為單純腐蝕量，μm3，由靜態(tài)浸泡腐蝕試驗(yàn)測(cè)得；w為單純磨損量，μm3，近似以干空氣下所得的磨損體積代替；Δ為腐蝕和磨損交互作用量，μm3；Δl為介質(zhì)潤(rùn)滑作用量，μm3，由大氣環(huán)境中的磨損體積w減去蒸餾水中的磨損體積t可得。其中，t和w可以由三維輪廓儀直接測(cè)量得出，其余參量則可以由相應(yīng)的公式計(jì)算得出。所得腐蝕磨損的交互作用比率如表2所示。

表2 腐蝕磨損的交互作用比率γ

由表2可知：在蒸餾水中，腐蝕和磨損的交互作用比率是負(fù)值并且很小。結(jié)合表面形貌圖(圖2~4)，為負(fù)值說明此時(shí)摩擦副的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域處于混合 區(qū)[20]；很小說明腐蝕磨損的交互作用很小，由此證明蒸餾水的導(dǎo)電性能差，幾乎沒有腐蝕作用，在微動(dòng)腐蝕磨損中只有潤(rùn)滑作用，TC4合金材料的流失量也主要是機(jī)械磨損所致。

3 結(jié)論

1) TC4合金在蒸餾水中的微動(dòng)磨損機(jī)制為磨粒磨損和疲勞脫落。摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線可分為初始階段和穩(wěn)定階段，其中，穩(wěn)定時(shí)間占整個(gè)磨損時(shí)間的2/3。在水基介質(zhì)中加入其他離子會(huì)使得潤(rùn)滑性能比蒸餾水的潤(rùn)滑性能優(yōu)良很多，但會(huì)加劇TC4合金的磨損。

2) 在蒸餾水中，摩擦因數(shù)曲線存在持續(xù)上下波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)載荷一定時(shí)，Si3N4/TC4的摩擦因數(shù)要低于GCr15/TC4的摩擦因數(shù)，但與GCr15/TC4相比，Si3N4/TC4摩擦因數(shù)曲線突變的峰值要大得多。

3) 當(dāng)振幅一定時(shí)，不同摩擦副的磨損量與法向載荷成正相關(guān)，隨著載荷增加，磨損量隨之增加，TC4合金的磨損率還有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。摩擦因數(shù)的變化趨勢(shì)與磨損量的變化趨勢(shì)一致。

4) GCr15/TC4的磨損率和磨損體積均比Si3N4/TC4的大，說明蒸餾水中Si3N4/TC4耐磨性能優(yōu)于GCr15/TC4的耐磨性能，Si3N4球在蒸餾水中作摩擦副材料時(shí)TC4合金耐磨性能較好。但由于Si3N4球有自潤(rùn)滑性，對(duì)于其本身來說磨損反而加劇。

5) 在蒸餾水中，腐蝕和磨損的交互作用比率出現(xiàn)負(fù)值且數(shù)值很小，說明蒸餾水的導(dǎo)電性能差，幾乎沒有腐蝕作用，只有潤(rùn)滑作用；TC4合金材料的流失量主要由機(jī)械磨損所致。

6) 水基介質(zhì)的存在對(duì)磨屑的演化過程既有促進(jìn)作用，同時(shí)也有抑制作用，這主要取決于具體工況。

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Fretting wear characteristics of TC4 alloy in distilled water

SONG Wei, SUN Lu, JING Pengfei, YU Shurong

(College of Petrochemical Technology, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

The characteristic of fretting wear of TC4 alloy in distilled water were studied and typical fretting wear experiments were made to analyze the relationship between loading, wear scars, the friction coefficient and the wear resistance under different friction counterparts. The results show that the wear mechanism is fatigue delamination and abrasive wear. The friction coefficient curves fluctuate in distilled water. The friction coefficient of GCr15/TC4 is larger than that of Si3N4/TC4 and the peak mutation of Si3N4/TC4 is greatly higher than that of GCr15/TC4 in distilled water. The wear rate and wear volume increases with the increase of load and their variation trend is consistent with that of friction coefficient curve. The wear rate and wear volume of GCr15/TC4 is larger than that of Si3N4/TC4 under different loads(50,80 and 100 N),which means that the abrasion performance of Si3N4/TC4 is better than that of GCr15/TC4, and Si3N4ball performs the best wear properties in distilled water. The interaction ratio between corrosion and wear in distilled water is negative and accounts for a very small proportion, which indicates that distilled water only acts as lubrication and the material losses of TC4 alloy are determined by mechanical wear.

TC4 alloy; fretting wear; distilled water; synergy

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.011

TG115.5

A

1672?7207(2019)02?0328?08

2018?05?10；

2018?07?21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275225)(Project(51275225) supported by the National Natural Science Foundation of China)

宋偉，博士研究生，講師，從事過程裝備結(jié)構(gòu)完整性等研究；E-mail：songwei@lut.edu.cn

(編輯 陳燦華)