高溫下位移幅值對(duì)TC4合金磨損性能的影響*

宋 偉 馬榮榮 俞樹(shù)榮 李萬(wàn)佳

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 甘肅蘭州 730050)

微動(dòng)(Fretting)指兩個(gè)接觸表面發(fā)生極小振幅的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通常存在于振動(dòng)工況下機(jī)械配合件中，會(huì)造成接觸表面摩擦磨損[1]。微動(dòng)主要分為微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞和微動(dòng)腐蝕，其中微動(dòng)磨損是材料失效的主要因素[2]，研究材料的微動(dòng)磨損成為預(yù)防設(shè)備失效的主要途徑。鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐高溫等優(yōu)良特性而被稱為“太空金屬”或“海洋金屬”[3]，在國(guó)防和民用工業(yè)中有很好的應(yīng)用前景[4]。鈦合金廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要承載力構(gòu)件，但其在使用過(guò)程中易發(fā)生滑動(dòng)和微動(dòng)[5]。較差的摩擦學(xué)性能成為限制鈦合金更廣泛應(yīng)用的主要屏障，迫切需要改善其摩擦和磨損性能，使其更可靠地應(yīng)用在高溫和高負(fù)荷條件下工作的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)中[6]。

TC4合金是一種α+β型雙相鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)性能[7]。REN等[8]對(duì)高強(qiáng)度高韌性鈦合金在不同工藝參數(shù)下微動(dòng)磨損性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，超聲滾壓時(shí)表面粗糙度較低、顯微硬度值更大以及較深的殘余應(yīng)力層，均使鈦合金的抗磨損性能達(dá)到最佳。SOYAMA、YANG等[9-10]通過(guò)空化噴丸和激光噴丸對(duì)鈦合金的表面進(jìn)行后處理，結(jié)果表明，噴丸處理時(shí)彈丸不斷撞擊鈦合金表面，使鈦合金表面晶粒納米化，疲勞強(qiáng)度進(jìn)而提高。LIU等[11]對(duì)電子束粉末床制備的TC4合金平板試件進(jìn)行后處理，結(jié)果表明，熱壓處理后的拉伸行為增強(qiáng)，可以緩解應(yīng)力和減少對(duì)力學(xué)性能有害的缺陷；同時(shí)通過(guò)機(jī)械加工和致密化的綜合作用獲得了最佳的延展性。徐祥、曾尚武等[12-13]對(duì)高溫條件下TC4合金宏觀、微觀形貌以及氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，探究了其高溫氧化動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果表明：高溫氧化過(guò)程中，TC4合金表面的氧化膜隨溫度和氧化時(shí)間的增加，由開(kāi)裂直至完全剝落；隨氧化時(shí)間的增加，TC4合金近表面產(chǎn)生的滲氧層厚度增加；隨著溫度升高，氧化程度加強(qiáng)，氧化動(dòng)力學(xué)曲線由拋物線轉(zhuǎn)化為直線規(guī)律。宋偉、俞樹(shù)榮等[14-15]對(duì)TC4合金在不同環(huán)境介質(zhì)中微動(dòng)磨損行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在不同條件下，GCr15/TC4合金配副的摩擦因數(shù)隨位移幅值的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，磨損體積隨位移幅值的增大而增大，而磨損率隨之減小。

研究發(fā)現(xiàn)，航空航天領(lǐng)域所需的鈦合金材料高溫氧化以及蠕變成為其失效的關(guān)鍵[16]。為使鈦合金能在航空領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，高溫狀態(tài)下鈦合金的摩擦磨損行為成為關(guān)注點(diǎn)，但目前高溫條件下產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)微動(dòng)磨損過(guò)程的影響還不清楚[17]。學(xué)者們對(duì)最常用的航空結(jié)構(gòu)材料之一的TC4合金在不同狀態(tài)、不同環(huán)境和不同工況下的磨損性能進(jìn)行了研究[18]，但對(duì)高溫環(huán)境中TC4合金微動(dòng)磨損性能研究較少[19]。本文作者以工業(yè)中應(yīng)用廣泛的TC4合金為研究對(duì)象，探究高溫(300、500 ℃)條件下由位移幅值引起的摩擦磨損行為，分析其摩擦因數(shù)、磨損體積以及磨損表面和磨斑形貌，討論其微動(dòng)磨損機(jī)制及氧化磨屑的作用機(jī)制，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及其他TC4合金飛行結(jié)構(gòu)件的安全性和可靠性設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 試驗(yàn)部分

以寶雞三立有色金屬有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TC4合金為研究對(duì)象，利用如圖1所示的SRV-IV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察其摩擦性能研究。試驗(yàn)采用切向微動(dòng)的運(yùn)行模式，采用球/平面接觸方式。上試樣是直徑10 mm、表面粗糙度小于0.02 μm、硬度約6 800 MPa的GCr15鋼球，下試樣為硬度約3 000 MPa的圓柱形TC4合金。試驗(yàn)前，先使用SiC金相水磨砂紙逐級(jí)打磨下試樣接觸表面，然后用粒度為0.04 μm的SiO2拋光液拋光至表面粗糙度為0.03 μm左右，最后在無(wú)水乙醇溶液中超聲清洗除去殘留在試樣表面的拋光液以及表面污染物等，吹干后備用。

圖1 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)示意Fig.1 Schematic of fretting wear testing machine and experimental operation

通過(guò)調(diào)查鈦合金在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中使用的鈦合金工作溫度不超過(guò)350 ℃[20]，發(fā)動(dòng)機(jī)使用的鈦合金工作溫度一般在450～600 ℃[21]。TC4合金的組織不夠穩(wěn)定，焊接性能和耐熱性較低[22]，使用溫度最高為500 ℃，所以文中將試驗(yàn)溫度分別設(shè)置在300和500 ℃下進(jìn)行。為保證試驗(yàn)時(shí)溫度場(chǎng)的穩(wěn)定，將溫度緩慢提升至試驗(yàn)所需溫度后保溫10 min，待溫度穩(wěn)定后開(kāi)始試驗(yàn)。微動(dòng)磨損試驗(yàn)的其他條件為：濕度30%～40%，位移幅值D=50、75、100、125、150 μm，法向載荷50 N，頻率25 Hz，循環(huán)周次45 000次，試驗(yàn)時(shí)間30 min。試驗(yàn)結(jié)束后使用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)磨損體積以及磨損輪廓進(jìn)行分析，用能譜儀(EDS)定性分析磨痕氧含量的變化；結(jié)合摩擦因數(shù)曲線、微動(dòng)理論來(lái)探究TC4合金在不同試驗(yàn)參數(shù)下的微動(dòng)磨損機(jī)制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微動(dòng)摩擦因數(shù)分析

圖2所示為TC4合金在300和500 ℃下平均摩擦因數(shù)隨著位移幅值的變化曲線。TC4/GCr15對(duì)摩副在不同溫度下的平均摩擦因數(shù)隨位移振幅的變化趨勢(shì)相似，即隨著位移幅值的增大，平均摩擦因數(shù)先增大再減小再增大；在相同位移幅值時(shí)，隨著溫度升高，平均摩擦因數(shù)減小。較小位移幅值時(shí)，由于兩接觸表面中心處于黏著區(qū)，微小滑移發(fā)生在接觸的邊緣地區(qū)，故摩擦因數(shù)較低，此時(shí)微動(dòng)處于部分滑移區(qū)；位移幅值增大時(shí)平均摩擦因數(shù)緩慢增加，混合區(qū)和完全滑移區(qū)接觸表面中心黏著作用減弱，相對(duì)滑動(dòng)更容易發(fā)生，在這種微動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行摩擦因數(shù)較大。

圖2 平均摩擦因數(shù)隨位移幅值變化曲線Fig.2 Curves of average friction coefficient versus displacement amplitude

圖3所示為TC4合金在法向載荷Fn=50 N、溫度分別為300和500 ℃，不同位移幅值(D=50、100、150 μm)下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線及Ft-D曲線。結(jié)果表明，摩擦因數(shù)曲線可分為3個(gè)階段：微動(dòng)初期的快速上升階段、中期的劇烈波動(dòng)階段和后期的穩(wěn)定階段[23]。

圖3 摩擦因數(shù)隨位移幅值變化曲線及Ft-D曲線Fig.3 Variation curves of friction coefficient with displacement amplitude and Ft-D curves:(a)50 μm;(b)100 μm;(c)150 μm

在初始階段，TC4合金表面包裹的氧化膜、油膜等雜質(zhì)顆粒對(duì)基體金屬具有保護(hù)作用，在微動(dòng)過(guò)程中可以減小摩擦磨損，摩擦因數(shù)較小。表面氧化膜是一層較薄的致密氧化層，在受到外部剪切和擠壓作用下氧化膜被迅速破壞，裸露的TC4合金表面不平整，上下試樣直接接觸時(shí)接觸面較小導(dǎo)致局部應(yīng)力增大，二體作用被加強(qiáng)，摩擦因數(shù)迅速上升達(dá)到最大值[24]。

在中期階段，摩擦因數(shù)達(dá)到最大值后開(kāi)始劇減，此時(shí)在剪切應(yīng)力作用下黏著被不斷破壞，黏著作用將試樣材料帶入接觸區(qū)域，增加了接觸區(qū)域的阻力。在阻力的循環(huán)過(guò)程中基體金屬剝落形成磨屑，摩擦因數(shù)曲線呈現(xiàn)出類似鋸齒狀并逐漸減小。

在后期階段，剝落的顆粒在接觸表面不斷累積，加速了裂紋的擴(kuò)展和疲勞脫落，不斷形成第三體層。磨屑顆粒在載荷的作用下被不斷地壓實(shí)堆積在接觸區(qū)域形成具有阻隔保護(hù)作用的第三體，降低了表面的切應(yīng)力，所以摩擦因數(shù)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)[25]。

高溫條件下，較小位移幅值時(shí)，F(xiàn)t-D曲線呈現(xiàn)為直線形，如圖3(a)所示，微動(dòng)處于部分滑移狀態(tài)，對(duì)摩副材料接觸表面不發(fā)生相對(duì)位移，在接觸邊緣發(fā)生微滑，接觸中心仍然處于黏著狀態(tài)；在部分滑移區(qū)，環(huán)狀微滑區(qū)伴隨著氧化磨損，同時(shí)伴隨著材料的單向轉(zhuǎn)移。隨位移幅值增大，摩擦因數(shù)升高，波動(dòng)幅度下降，F(xiàn)t-D曲線由直線形變?yōu)闄E圓形，如圖3(b)所示，微動(dòng)處于混合區(qū)。較大位移幅值時(shí)，摩擦因數(shù)進(jìn)一步增大，F(xiàn)t-D曲線成為平行四邊形，如圖3(c)所示，微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆茀^(qū)，兩接觸體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)為相對(duì)滑動(dòng)狀態(tài)，接觸中心黏著作用弱，相對(duì)滑動(dòng)容易發(fā)生。微動(dòng)過(guò)程中伴隨著磨粒磨損、氧化磨損以及塑性變形。

2.2 磨損特性

研究發(fā)現(xiàn)，TC4合金在同一載荷下磨痕曲線均呈現(xiàn)出“W”型，這說(shuō)明高溫狀態(tài)和微動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱加速了基體金屬的氧化[27]。

圖4所示為不同溫度下TC4合金二維輪廓曲線。可見(jiàn)，300 ℃下磨痕深度比500 ℃下大，說(shuō)明升溫過(guò)程產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)磨痕起到保護(hù)作用，進(jìn)而使其磨損程度降低。由于高溫時(shí)氧化層的硬度和致密性導(dǎo)致其不能向基體金屬內(nèi)部延展，片狀的氧化層保護(hù)了下層金屬，降低了基體的磨損，在坑底出現(xiàn)不規(guī)則的輪廓。隨著溫度升高，基體金屬內(nèi)的原子間相互擴(kuò)散能力加強(qiáng)，黏著現(xiàn)象更易發(fā)生，導(dǎo)致其塑性變形能力增加，產(chǎn)生大量的磨屑堆積造成磨痕輪廓邊緣出現(xiàn)微凸起現(xiàn)象。

圖4 不同溫度下TC4合金二維輪廓曲線Fig.4 Two-dimensional profile curves of TC4 alloy at different temperatures:(a)300 ℃;(b)500 ℃

圖5所示為不同溫度下TC4合金磨損量和磨損率曲線。可知：同一溫度下，隨著位移幅值的增加，磨損體積不斷增加，而磨損率先增加后減??；在相同參數(shù)下，300 ℃下的磨損體積和磨損率始終高于500 ℃；小位移時(shí)，磨損體積和磨損率的變化趨勢(shì)逐漸增大，當(dāng)位移幅值增加到125 μm時(shí)，磨損率出現(xiàn)驟減。由于小位移幅值時(shí)，微動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)少量接觸區(qū)域的疊加現(xiàn)象，大量磨屑和疲勞剝落顆粒在接觸中心區(qū)域堆積不易排出[28]。這些磨粒在位移振幅作用下不斷被壓實(shí)，產(chǎn)生一層致密的氧化物薄膜即第三體，對(duì)基體金屬具有保護(hù)作用，使得材料流失較少。當(dāng)增大位移幅值時(shí)，產(chǎn)生的摩擦熱使接觸區(qū)域的重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，減摩膜層厚度較薄易被破壞，出現(xiàn)嚴(yán)重的材料流失。

圖5 不同溫度下TC4合金磨損體積和磨損率曲線Fig.5 TC4 alloy wear volume and wear rate curves at different temperatures:(a) wear volume;(b) wear rate

2.3 磨損表面形貌及機(jī)制分析

圖6所示為300和500 ℃下TC4合金表面磨痕形貌SEM圖。小位移幅值時(shí)，從磨痕表面可觀察到中心黏著區(qū)和邊緣環(huán)形微滑區(qū)，如圖6(a)、(d)所示。接觸中心處于黏著狀態(tài)，只可以觀察到稀疏分布的少量擦傷；中心黏著區(qū)發(fā)現(xiàn)大量較深的剝落凹坑并伴隨有少量的表面裂紋，說(shuō)明TC4合金與對(duì)摩副材料GCr15，在微動(dòng)磨損過(guò)程中往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用力使得材料發(fā)生了淺層剝落，并且在剝落凹坑中發(fā)現(xiàn)少量的磨屑，表現(xiàn)為明顯的黏著磨損特征[29]。在邊緣環(huán)狀微滑區(qū)伴隨著氧化磨損和材料的轉(zhuǎn)移，發(fā)現(xiàn)磨屑堆積以及突出的條狀物。中心黏著區(qū)和微滑區(qū)的交界處是萌生裂紋的高發(fā)區(qū)，同時(shí)伴隨著材料的單向轉(zhuǎn)移，因?yàn)樵诮唤缣幵嚇釉馐芊磸?fù)碰撞，導(dǎo)致此處的應(yīng)力集中，產(chǎn)生了垂直于微動(dòng)方向的少量微裂紋。這些微裂紋在材料的接觸邊緣萌生并沿著垂直于接觸表面方向擴(kuò)展，表現(xiàn)為明顯的輕微疲勞磨損特征。

隨著位移幅值增大，可以觀察到TC4合金磨痕的中心區(qū)域存在大量層片狀且較為致密的磨屑層，顆粒以剝層的方式脫落形成了較為粗糙的剝落坑，表現(xiàn)為明顯的剝層磨損特征，如圖6(b)、(e)所示。材料在高溫條件下出現(xiàn)軟化，黏著點(diǎn)發(fā)生斷裂導(dǎo)致材料出現(xiàn)撕脫，上試樣材料轉(zhuǎn)移到TC4合金表面，在應(yīng)力作用下，氧化膜發(fā)生脫落，一部分暴露的金屬表面又被氧化形成新的氧化膜，表現(xiàn)出明顯的氧化磨損特征[30]。從磨痕表面還可以觀察到由磨粒磨損造成的犁溝。剝落的顆粒在接觸表面不斷累積，加速了裂紋的擴(kuò)展和疲勞脫落，不斷形成第三體層。磨屑顆粒在載荷的作用下被不斷地壓實(shí)堆積在接觸區(qū)域，形成了具有阻隔保護(hù)作用的第三體，明顯地緩解了黏著磨損。

大位移幅值時(shí)，由表面磨損微觀形貌圖可以觀察到磨痕的中心區(qū)域出現(xiàn)磨屑堆積，如圖6(c)、(f)所示。磨屑堆積的形成是由于磨痕的中心材料堆積嚴(yán)重，在微動(dòng)切應(yīng)力的作用下不容易排出微動(dòng)坑，從而導(dǎo)致在中心出現(xiàn)嚴(yán)重的顆粒堆積。從磨痕邊緣可觀察到塑性變形產(chǎn)生的亮白條帶及裂紋，在兩向應(yīng)力作用下，裂紋發(fā)生延展和疲勞脫落，不斷地壓實(shí)堆積在接觸區(qū)域，形成了具有阻隔保護(hù)作用的第三體。

圖6 300和500 ℃下TC4合金表面磨痕形貌SEM圖Fig.6 SEM images of TC4 alloy surface wear scar morphology at 300 ℃ and 500 ℃:(a) 50 μm(300 ℃);(b)100 μm(300 ℃); (c) 150 μm(300 ℃);(d) 50 μm(500 ℃);(e)100 μm(500 ℃);(f) 150 μm(500 ℃)

采用EDS對(duì)磨痕表面成分進(jìn)行了分析，如圖7所示?？芍篢C4合金磨痕表面主要由Ti和O元素組成，還含有Fe、Al、V等元素。這表明摩擦副表面發(fā)生了劇烈氧化和摩擦副表面材料的相互轉(zhuǎn)移[31]。隨著溫度的升高，氧和鐵元素的占比在500 ℃條件下近似是300 ℃條件下的2倍，說(shuō)明在高溫條件下氧元素與基體金屬的反應(yīng)更強(qiáng)烈，生成的氧化物更多。由于氧化膜的存在，增加了鈦合金耐磨性，進(jìn)一步證明了摩擦氧化物TiO2和Fe2O3對(duì)磨損表面具有保護(hù)作用，這與文獻(xiàn)[32]研究結(jié)果一致。

圖7 300 ℃和500 ℃下TC4合金表面的EDS分析Fig.7 EDS analysis of TC4 alloy surface at 300 ℃ and 500 ℃:(a)300 ℃;(b)500 ℃

3 結(jié)論

(1)高溫條件下，TC4合金摩擦因數(shù)曲線經(jīng)歷了劇增、波動(dòng)減小到平穩(wěn)的3個(gè)變化階段，相同載荷條件下，隨著位移幅值的增加，平均摩擦因數(shù)和磨損率呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)。

(2)隨著位移幅值增大，TC4合金在微動(dòng)摩擦磨損過(guò)程中主要損傷機(jī)制由氧化磨損和黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閯儗幽p和塑性變形，最終成為磨粒磨損、氧化磨損及疲勞磨損。

(4) 對(duì)比300和500 ℃條件下磨損結(jié)果，表明溫度越高TC4合金耐磨性能越好，這主要是由于摩擦生成的氧化物TiO2和Fe2O3對(duì)磨損表面具有保護(hù)作用。