航空海洋工程用鈦合金棒的磨損性能分析

鈦合金材料磨損是指相互接觸的物體彼此在做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表層的材料不斷發(fā)生損傷、相互轉(zhuǎn)移或者產(chǎn)生殘余變形的過程，它是伴隨著摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件的失效主要有磨損、斷裂以及腐蝕等三種方式，而其中由于磨損而失效的己占到了60％一80％。據(jù)美國評(píng)議局的報(bào)告，由丁磨損而造成的損失，飛機(jī)約為134億美元，船舶約為64億美元，汽車約為400億美元。2004年末，在中國召開的“摩擦學(xué)科與工程前沿研討會(huì)”的數(shù)據(jù)表明，中國每年由于摩擦磨損而造成的損失可達(dá)600億元，僅全國工礦企業(yè)在這方面的節(jié)約潛能就約為400億元。可見，由摩擦磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失是非常嚴(yán)重的。因此，材料的摩擦磨損問題引起了全世界的廣泛關(guān)注，各國都在積極努力地開展摩擦磨損的研究和應(yīng)用。

在過去的幾十年里，有關(guān)俐的摩擦磨損研究已經(jīng)有了大量的報(bào)道。人們不僅研究了工況條件(溫度、載荷、滑動(dòng)速度)對(duì)鋼磨損性能的影響，而且還研究了顯微組織對(duì)鋼磨損性能的影響。對(duì)鋼的摩擦磨損行為和磨損機(jī)制有了全面和深入的了解。對(duì)于鈦合金的摩擦磨損僅僅局限在室、溫條件下以及經(jīng)過表面改性處理后的鈦合金的摩擦磨損性能研究，而對(duì)嚴(yán)酷工況條件下鈦合金自身的摩擦磨損研究卻少有報(bào)道，這使得人們對(duì)鈦合金在嚴(yán)酷工況條件下的摩擦磨損行為和機(jī)理缺乏系統(tǒng)和全面的認(rèn)識(shí)。因此，長期以來，人們對(duì)鈦合金的摩擦磨損一直吲守著傳統(tǒng)的觀點(diǎn)：鈦合金具有極差的耐磨性。

為了更好地了解鈦合金的摩擦磨損行為和磨損機(jī)理，擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用范圍，科輝鈦業(yè)將雙相(a+13)鈦合金TC4和TCll在不同摩擦體系和不同工況條件下的磨損行為及磨損特征。采用掃描電鏡(sEM)、能譜儀(EDS)以及x射線衍射分析儀(XRD)等分析手段觀察和測(cè)試1r鈦合金的磨面、剖面和磨屑的形貌以及磨面成分及結(jié)構(gòu)，深入探討了這兩種鈦合金與不同對(duì)磨材料對(duì)磨時(shí)在不同環(huán)境溫度以及載荷條件下的磨損機(jī)理，重點(diǎn)研究了鈦合金的摩擦層和摩擦氧化物及其作用機(jī)理。本研究不僅豐富1r金屬磨損理論，也為鈦合金在滑動(dòng)磨損工況下的應(yīng)用及磨損控制提供了科學(xué)依據(jù)和理論儲(chǔ)備，具有極其重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

鈦合金棒因優(yōu)異的性能而得到了廣泛的應(yīng)用，然而其公認(rèn)的低滑動(dòng)耐磨性，嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)鈦合金棒自身滑動(dòng)磨損的研究極其有限，到目前為止，仍然對(duì)鈦合金棒滑動(dòng)磨損行為和磨損機(jī)制缺乏全面和深入的了解。因此，研究鈦合金棒的干滑動(dòng)磨損行為和磨損機(jī)制具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。結(jié)合TC4和TCll兩種典型鈦合金棒在不同工況條件和對(duì)磨材料下的磨損行為和磨損性能。采用SEM、EDS和XRD等對(duì)磨損表面、剖面和磨屑的形貌、成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的觀察和測(cè)試，探討了鈦合金棒的磨損機(jī)制，重點(diǎn)研究了鈦合金棒的摩擦層和摩擦氧化物及其對(duì)磨損行為的影響和作用機(jī)理。

結(jié)果表明，兩種典型鈦合金棒的磨損行為具有共性。當(dāng)溫度為25℃~300℃時(shí)，大多數(shù)情況下，磨損率均隨載荷的增加而增加。400℃磨損率降低，且在50．250N時(shí)隨載荷的增加略有波動(dòng)；少數(shù)情況下在250N磨損率突然大幅增加。在500℃．600℃，除鈦合金棒／W6M05Cr4V2體系巾500℃、250N外，磨損率均大幅降低，且達(dá)到極低的值。高溫下，TCl l合金的磨損率低于TC4合金的。更重要的是，兩種典型鈦合金棒隨著溫度增加均發(fā)生嚴(yán)重．輕微磨損轉(zhuǎn)變，這明顯不同于鋼和其它金屬合金。鈦合金棒在臨界條件以下具有差的耐磨性；而在臨界條件以上具有優(yōu)異的耐磨性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)磨材料對(duì)鈦合金棒的磨損率有顯著影響，但對(duì)磨損機(jī)制的影響相對(duì)較小。在400℃~600℃，在鈦合金棒／w6M05Cr4V2體系中鈦合金棒的磨損率高于鈦合金棒／GCrl5體系中的磨損率。

鈦合金棒的磨損機(jī)理隨工況條件的改變而變化。在25℃~300℃，大多數(shù)載荷條件下，磨損機(jī)理以粘著磨損和磨粒磨損為主；在400℃，大多數(shù)磨損機(jī)理為粘著磨損、磨粒磨損和氧化輕微磨損共存；少數(shù)情況下，磨損機(jī)理為粘著磨損、磨粒磨損和塑性擠出磨損；在500℃一600℃，大多數(shù)載荷條件下，磨損機(jī)理為氧化輕微磨損；少數(shù)載荷條件下，磨損機(jī)理為粘著磨損、磨粒磨損和塑性擠出磨損。

研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金棒在干滑動(dòng)磨損巾，摩擦層一直存在于鈦合金棒的磨損表面，但摩擦層的成分、結(jié)構(gòu)隨工況條件而變，故在磨損中作用不同。摩擦層是否具有保護(hù)或減磨作用取決于摩擦層的數(shù)量、致密度和摩擦氧化物的含量。隨著溫度增加，摩擦層和摩擦氧化物增多，致密的摩擦層開始起到減磨作用。對(duì)于鈦合金棒，摩擦層可區(qū)分為兩類：無氧化物的摩擦層(no—oxide tribo—layer)和氧化物摩擦層(tribo．oxidelayer)。在較低溫度，無氧化物或含微量氧化物的摩擦層，無減磨作用；在較高溫度，含少量摩擦氧化物的摩擦層具有一定程度的減磨作用；在更高溫度，含大量摩擦氧化物的摩擦層具有完全保護(hù)作用。結(jié)果表明，硬的對(duì)磨材料導(dǎo)致摩擦氧化物層不能穩(wěn)定存在，因此，對(duì)于鈦合金棒／鋼摩擦體系，軸承鋼GCrl 5比高速鋼W6M05Cr4V2更適合于做對(duì)磨材料。可以認(rèn)為，鈦合金棒和GCrl5鋼組成的滑動(dòng)副是一種理想的高溫摩擦副。