鈦合金航空花鍵副表面改性的微動(dòng)摩擦性能測(cè)試研究*

魯 雄 ，王 帥，趙 廣，王重陽(yáng)

(1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002; 2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

0 引 言

新一代直升機(jī)的高速發(fā)展對(duì)防腐性能提出了更高的需求，鈦合金作為一種高比強(qiáng)度、防腐性能優(yōu)良的材料，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)上應(yīng)用得也越來(lái)越廣泛[1-7]。采用鈦合金材料(如TC4、TC6等)設(shè)計(jì)航空花鍵副，可以有效提高花鍵副的防腐性能，并具有一定的減重作用。目前國(guó)內(nèi)鈦合金花鍵表面的耐磨性能一直無(wú)法得到有效提升，且航空花鍵副在直升機(jī)的起飛、巡航與機(jī)動(dòng)飛行、著陸過(guò)程中承受周期性與沖擊性載荷，不僅會(huì)在花鍵副工作齒面產(chǎn)生交變接觸應(yīng)力，而且會(huì)導(dǎo)致接觸齒面間的微幅振動(dòng)。由于促使這種微幅振動(dòng)的內(nèi)、外部激勵(lì)無(wú)法消除，使得該微幅振動(dòng)不可避免，從而引起花鍵副的微動(dòng)磨損。因此，鈦合金航空花鍵副的工程應(yīng)用需要預(yù)先對(duì)其表面進(jìn)行改性/鍍層強(qiáng)化以提高耐磨性能，同時(shí)為有效掌握不同表面改性/鍍層的花鍵副表面微動(dòng)磨損情況，精準(zhǔn)監(jiān)控花鍵表面的工作狀態(tài)，避免因花鍵磨損過(guò)度而導(dǎo)致齒間動(dòng)載荷增大，影響直升機(jī)的使用安全，需要對(duì)不同表面改性/鍍層的花鍵副微動(dòng)摩擦性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

此項(xiàng)研究提出在某鈦合金航空花鍵副表面進(jìn)行無(wú)氫滲碳(以下簡(jiǎn)稱(chēng)WHSC)表面改性及涂覆DLC、CrN、TiN鍍層，以提高航空花鍵副表面的耐磨性能，并針對(duì)四種表面改性/鍍層航空花鍵副開(kāi)展了不同工況條件下的摩擦性能測(cè)試對(duì)比研究(筆者針對(duì)各表面改性/鍍層的摩擦性能測(cè)試研究，僅代表現(xiàn)階段各表面改性/鍍層工藝水平條件下的測(cè)試結(jié)論)，對(duì)于鈦合金航空花鍵副表面改性/鍍層的選擇和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)參數(shù)與微動(dòng)工況

針對(duì)某直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)花鍵材料(TC4)、載荷與工況特點(diǎn)，選用點(diǎn)-面接觸微動(dòng)磨損方式，上試件采用氮化硅陶瓷球，下試件采用TC4鈦合金基體的樣件，樣件包括TC4基體、DLC、TiN、CrN鍍層、WHSC表面改性試件，開(kāi)展微動(dòng)摩擦性能試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)包括如下所述。

(1) 溫度影響，包括常溫(24～27 ℃)與服役溫度(100 ℃)兩種工況。

(2) 潤(rùn)滑狀態(tài)影響，包括干摩擦的無(wú)潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑條件。

(3) 接觸載荷影響，考慮花鍵實(shí)際載荷情況，選定載荷范圍在3～15 N之間。

(4) 微動(dòng)滑移行程(振幅)影響，由于微動(dòng)滑移行程模擬振幅變化，微動(dòng)行程對(duì)磨損的影響一般為非線性關(guān)系，按照50 μm、100 μm、200 μm三類(lèi)行程開(kāi)展磨損試驗(yàn)。

(5) 微動(dòng)頻率影響，由于花鍵微動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速變化引起的微動(dòng)頻率改變對(duì)磨損具有重要影響，按照25、50、75 Hz三種微動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)試。

(6) 隨機(jī)不確定因素影響，每個(gè)樣件進(jìn)行三組試驗(yàn)。試驗(yàn)樣件參數(shù)與試驗(yàn)工況如表1所列。

表1 試驗(yàn)樣件參數(shù)及試驗(yàn)工況

摩擦試驗(yàn)采用清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室“SRV-4高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)”，該試驗(yàn)機(jī)是一種用途廣泛的摩擦、磨損試驗(yàn)機(jī)及潤(rùn)滑油、添加劑性能評(píng)定裝置。主要對(duì)材料在室溫或高溫條件下、有潤(rùn)滑或干摩擦條件下的摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試；對(duì)潤(rùn)滑介質(zhì)承載能力、高溫減摩性能進(jìn)行評(píng)定。SRV-4高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)物如圖1、圖2所示。

圖1 SRV-4高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖 圖2 SRV-4高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)局部加載結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2 摩擦性能試驗(yàn)測(cè)試

摩擦系數(shù)(也稱(chēng)摩擦因數(shù))，是指兩接觸表面間的最大摩擦力和作用在其中一個(gè)表面上的正壓力的比值。需測(cè)量不同表面處理、溫度下的摩擦因數(shù)變化。

μ=Ff/FN

式中：Ff為最大摩擦力，N；FN為作用在接觸表面的正壓力，N。

通過(guò)試驗(yàn)，記錄實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，通過(guò)后處理分析獲得摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間變化的曲線，評(píng)估試件表面的摩擦性能。

2.1 TC4基體摩擦性能測(cè)試

根據(jù)磨損試驗(yàn)記錄的摩擦系數(shù)結(jié)果，TC4基體樣件在各載荷工況下首次測(cè)量的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。各工況重復(fù)測(cè)試穩(wěn)定后期記錄的摩擦系數(shù)及其平均值隨載荷變化關(guān)系如圖4所示。

圖3 TC4-首次摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖4 TC4-穩(wěn)定后期摩擦系數(shù)

測(cè)試結(jié)果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間持續(xù)總體下降，然后保持相對(duì)穩(wěn)定。

(2) 各載荷工況的穩(wěn)定后期平均摩擦系數(shù)隨載荷增加而下降，摩擦系數(shù)范圍在0.15～0.26之間。

(3) 總體而言，TC4基體摩擦系數(shù)重復(fù)性較差，分散度較大，可能是TC4基體表面沒(méi)有鍍層、表面硬度低，且表面粗糙度大，更容易產(chǎn)生黏著、磨粒、氧化磨損，使摩擦與磨損狀態(tài)復(fù)雜。

TC4基體摩擦性能測(cè)試整體試驗(yàn)重復(fù)性較差，在花鍵實(shí)際服役過(guò)程中，不適合作為磨損的直接接觸材料。

2.2 DLC鍍層摩擦性能測(cè)試

根據(jù)磨損試驗(yàn)記錄的摩擦系數(shù)結(jié)果，各載荷工況下首次測(cè)量的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。各工況重復(fù)測(cè)試穩(wěn)定后期記錄的摩擦系數(shù)及其平均值隨載荷變化關(guān)系如圖6所示。

圖5 DLC-首次摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖6 DLC-穩(wěn)定后期摩擦系數(shù)

測(cè)試結(jié)果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間持續(xù)總體下降，然后保持相對(duì)穩(wěn)定。

(2) 各載荷工況的穩(wěn)定后期平均摩擦系數(shù)隨載荷波動(dòng)并總體下降。摩擦系數(shù)范圍在0.14～0.22之間。

總體而言，DLC鍍層摩擦系數(shù)重復(fù)性較好。

2.3 TiN鍍膜摩擦性能測(cè)試

根據(jù)磨損試驗(yàn)記錄的摩擦系數(shù)結(jié)果，各載荷工況下首次測(cè)量的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。各工況重復(fù)測(cè)試穩(wěn)定后期記錄的摩擦系數(shù)及其平均值隨載荷變化關(guān)系如圖8所示。

圖7 TiN-首次摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖8 TiN-穩(wěn)定后期摩擦系數(shù)

測(cè)試結(jié)果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間總體下降，然后保持相對(duì)穩(wěn)定。

(2) 各載荷工況的穩(wěn)定后期平均摩擦系數(shù)隨載荷下降，當(dāng)載荷較大時(shí)較為穩(wěn)定。

總體而言，TiN鍍層摩擦系數(shù)重復(fù)性好，摩擦與磨損過(guò)程穩(wěn)定。由于TiN鍍層表面硬度適中，測(cè)試精度高，重復(fù)性好。

2.4 CrN鍍膜摩擦性能測(cè)試

根據(jù)磨損試驗(yàn)記錄的摩擦系數(shù)結(jié)果，各載荷工況下首次測(cè)量的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。各工況重復(fù)測(cè)試穩(wěn)定后期記錄的摩擦系數(shù)及其平均值隨載荷變化關(guān)系如圖10所示。

圖9 CrN-首次摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖10 CrN-穩(wěn)定后期摩擦系數(shù)

測(cè)試結(jié)果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數(shù)隨載荷變化持續(xù)總體下降，然后保持相對(duì)穩(wěn)定。

(2) 各載荷工況的穩(wěn)定后期平均摩擦系數(shù)隨載荷下降，當(dāng)載荷較大時(shí)較為穩(wěn)定。

總體而言，CrN鍍層摩擦系數(shù)重復(fù)性好，摩擦與磨損過(guò)程穩(wěn)定。由于CrN鍍層表面硬度適中，測(cè)試精度高，重復(fù)性好。

2.5 WHSC表面改性

根據(jù)磨損試驗(yàn)記錄的摩擦系數(shù)結(jié)果，各載荷工況下首次測(cè)量的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖11所示。各工況重復(fù)測(cè)試穩(wěn)定后期記錄的摩擦系數(shù)及其平均值隨載荷變化關(guān)系如圖12所示。

圖11 WHSC-首次摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

圖12 WHSC-穩(wěn)定后期摩擦系數(shù)

測(cè)試結(jié)果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間在初始階段迅速上升，然后保持相對(duì)穩(wěn)定，有略微上升趨勢(shì)。

(2) 各載荷工況的穩(wěn)定后期平均摩擦系數(shù)隨載荷下降，當(dāng)載荷較大時(shí)較為穩(wěn)定。

由于WHSC鍍層表面存在明顯犁形形貌，測(cè)試精度較差，重復(fù)性也較差。

3 微動(dòng)摩擦性能測(cè)試結(jié)果分析

針對(duì)DLC、TiN、CrN鍍層、WHSC表面改性試件摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別如表2、圖13所示。

表2 摩擦系數(shù)對(duì)比(載荷)

圖13 摩擦系數(shù)隨載荷變化對(duì)比

測(cè)試結(jié)果綜合對(duì)比表明如下。

各類(lèi)鍍層摩擦系數(shù)隨載荷增大而總體下降，WHSC最大，CrN摩擦系數(shù)最小，TiN摩擦系數(shù)較??；各載荷下，摩擦系數(shù)平均值由大到小順序?yàn)椋?/p>

WHSC>DLC>TiN>CrN

針對(duì)DLC、TiN、CrN鍍層、WHSC表面改性四類(lèi)試件，分別統(tǒng)計(jì)微動(dòng)頻率、行程、潤(rùn)滑和溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響。

3.1 微動(dòng)頻率對(duì)摩擦系數(shù)的影響

綜合表3摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明：微動(dòng)頻率對(duì)摩擦系數(shù)影響較小，沒(méi)有固定的規(guī)律；當(dāng)微動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)，摩擦系數(shù)最小。各微動(dòng)頻率下，摩擦系數(shù)平均值由大到小順序?yàn)椋?/p>

表3 摩擦系數(shù)對(duì)比(微動(dòng)頻率)

WHSC>DLC>TiN>CrN

3.2 微動(dòng)行程對(duì)摩擦系數(shù)的影響

綜合表4摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明：微動(dòng)行程對(duì)摩擦系數(shù)影響較小，沒(méi)有固定的規(guī)律；各微動(dòng)行程下，摩擦系數(shù)平均值由大到小順序?yàn)椋?/p>

表4 摩擦系數(shù)對(duì)比(微動(dòng)行程)

WHSC>DLC>TiN>CrN

3.3 溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

綜合表5摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明：溫度對(duì)摩擦系數(shù)影響較小，總體而言，DLC、TiN、WHSC的摩擦系數(shù)均隨溫度升高而略有降低；各溫度下，摩擦系數(shù)平均值由大到小順序?yàn)椋?/p>

表5 摩擦系數(shù)對(duì)比(溫度)

WHSC>DLC>TiN>CrN

3.4 潤(rùn)滑對(duì)摩擦系數(shù)的影響

綜合表6摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明：潤(rùn)滑對(duì)摩擦系數(shù)影響很大，無(wú)潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于油潤(rùn)滑條件的摩擦系數(shù)，TiN、CrN和WHSC對(duì)于潤(rùn)滑條件最為敏感，DLC相對(duì)不敏感。在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)(25 ℃)下，摩擦系數(shù)平均值由大到小的順序?yàn)椋?/p>

表6 摩擦系數(shù)對(duì)比(潤(rùn)滑)

TiN>>CrN>WHSC>>DLC

4 結(jié) 論

對(duì)4種鈦合金表面改性/鍍層的摩擦性能進(jìn)行了測(cè)試研究分析，并得出影響規(guī)律，對(duì)于工程實(shí)踐中鈦合金航空花鍵副表面改性/鍍層的選擇和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

(1) 各類(lèi)鍍層摩擦系數(shù)隨載荷增大而總體下降。

(2) 微動(dòng)頻率、微動(dòng)行程、工作溫度對(duì)摩擦系數(shù)影響較小，這三類(lèi)因素不改變鍍層之間的摩擦系數(shù)性能。

(3) 潤(rùn)滑對(duì)摩擦系數(shù)影響較大，無(wú)潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于油潤(rùn)滑條件的摩擦系數(shù)，TiN鍍層最為敏感，DLC和WHSC較為敏感，CrN略微敏感。在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)(25 ℃)下，摩擦系數(shù)平均值由大到小的順序?yàn)椋篢iN>>WHSC>CrN>>DLC。

(4) 從摩擦系數(shù)的角度，在各種載荷、微動(dòng)頻率與行程、溫度等條件下，摩擦系數(shù)平均值由大到小順序均為：WHSC>DLC>TiN>CrN。