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運動時，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，機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)美國評議局的報告，由丁磨損而造成的損失，飛機約為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”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)濟損失是非常嚴重的。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)有了大量的報道。人們不僅研究了工況條件(溫度、載荷、滑動速度)對鋼磨損性能的影響，而且還研究了顯微組織對鋼磨損性能的影響。對鋼的摩擦磨損行為和磨損機制有了全面和深入的了解。對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，而對嚴酷工況條件下鈦合金自身的摩擦磨損研究卻少有報道，這使得人們對鈦合金在嚴酷工況條件下的摩擦磨損行為和機理缺乏系統(tǒng)和全面的認識。因此，長期以來，人們對鈦合金的摩擦磨損一直吲守著傳統(tǒng)的觀點：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理，擴大鈦合金的應(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磨材料對磨時在不同環(huán)境溫度以及載荷條件下的磨損機理，重點研究了鈦合金的摩擦層和摩擦氧化物及其作用機理。本研究不僅豐富1r金屬磨損理論，也為鈦合金在滑動磨損工況下的應(yīng)用及磨損控制提供了科學(xué)依據(jù)和理論儲備，具有極其重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。

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

結(jié)果表明，兩種典型鈦合金棒的磨損行為具有共性。當溫度為25℃~300℃時，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時隨載荷的增加略有波動；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。同時發(fā)現(xiàn)，對磨材料對鈦合金棒的磨損率有顯著影響，但對磨損機制的影響相對較小。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，磨損機理以粘著磨損和磨粒磨損為主；在400℃，大多數(shù)磨損機理為粘著磨損、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，磨損機理為氧化輕微磨損；少數(shù)載荷條件下，磨損機理為粘著磨損、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作用。結(jié)果表明，硬的對磨材料導(dǎo)致摩擦氧化物層不能穩(wěn)定存在，因此，對于鈦合金棒／鋼摩擦體系，軸承鋼GCrl 5比高速鋼W6M05Cr4V2更適合于做對磨材料。可以認為，鈦合金棒和GCrl5鋼組成的滑動副是一種理想的高溫摩擦副。