DLC薄膜对TC4钛合金微动磨损行为的影响

目的 为提高TC4钛合金的抗微动磨损性能,对比研究类金刚石薄膜(DLC)和TC4钛合金在干摩擦条件下的微动磨损行为,揭示DLC薄膜抗微动磨损的机理.方法 在TC4钛合金基体上利用非平衡磁控溅射技术制备DLC薄膜.利用原子力显微镜、拉曼光谱和纳米压痕仪分析薄膜的表面形貌、物相组成以及纳米硬度.利用球/平面接触形式SRV-V微动摩擦磨损试验机研究DLC薄膜和TC4钛合金的微动摩擦磨损性能.采用激光共聚焦显微镜和自带能谱分析仪的场发射扫描电镜分析材料的磨痕情况.通过Ft-D-N曲线、三维轮廓、磨损形貌及磨痕化学成分分析来揭示DLC薄膜和TC4钛合金微动损伤机理.结果 DLC薄膜与TC4钛合金相比,摩擦因数和磨损体积都很小.载荷为10 N时,DLC薄膜的摩擦因数为0.01～0.03,TC4钛合金的摩擦因数为0.07～0.12.从磨损率来看,TC4钛合金的磨损率随着位移幅值的增大而增大,DLC薄膜的磨损率随着位移幅值的增大而减小.位移幅值为100μm时,TC4钛合金的磨损率取得最大值(5.02×10?5 mm3/(N·m)),DLC薄膜的磨损率取得最小值(6.70×10?8 mm3/(N·m)).TC4钛合金磨损严重,磨损机制为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳剥层和氧化磨损,同时伴随有塑性变形;而DLC薄膜磨损轻微,磨损机制以磨粒磨损为主.结论 DLC薄膜具有较高的硬度和良好的润滑特性.在干摩擦条件下,DLC薄膜可以显著提高TC4钛合金的抗微动磨损性能.     

TC4合金在不同环境介质中微动磨损行为研究

采用SRV-IV微动磨损试验台,研究TC4钛合金在空气和纯水介质中不同位移幅值下的微动磨损行为及其在模拟海水中的微动腐蚀特性,利用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜分别对磨痕表面形貌、磨损体积及磨痕轮廓进行表征,分析了钛合金在不同环境介质中的微动磨损机制。结果表明:摩擦系数随位移幅值的增大呈现出先增大后减小的趋势,磨损体积随位移幅值的增大而增大;干摩擦条件下,摩擦系数较高且波动剧烈,磨损体积较小,磨损机制主要为磨粒磨损、粘着磨损并伴有氧化磨损;与干摩擦相比,水介质中的摩擦系数较低,磨损体积显著增大,且模拟海水中的摩擦系数更低更稳定,磨损轮廓更深,说明腐蚀与磨损之间存在"正"交互作用;TC4合金在纯水介质中的微动磨损机制主要为疲劳磨损和磨粒磨损,而在模拟海水中的微动磨损机制主要为磨粒磨损和腐蚀磨损。     

摩擦氧化层对TC4合金磨损行为和摩擦系数的影响

选取TC4合金与3种对偶件微动磨损的完全滑移区,研究摩擦氧化层的形成对TC4合金微动磨损行为和摩擦系数的影响。结果表明:室温下摩擦系数曲线经历阶段性变化,磨损表面未形成摩擦氧化层,磨损率均较高。合金基体加热至260℃时,TC4/GCr15微动摩擦系数曲线最早出现由动态稳定向直线稳定的过渡,最早发生轻微磨损转变和摩擦氧化层的形成,磨损率明显减小,TC4/Si_3N_4和TC4/Al_2O_3微动磨损表面未形成摩擦氧化层,磨损率急剧攀升至最大值。继续升温至450℃时,TC4合金与3种对偶件微动磨损均形成不同于基体的摩擦氧化层,磨损率低于室温且达到最小值。TC4合金良好的高温微动磨损性能可归因于分布均匀、连续致密、粘结良好的摩擦氧化层的形成。TC4合金轻微磨损转变前微动损伤由粘着和磨粒磨损控制,轻微磨损转变后由氧化磨损伴随轻微磨粒磨损控制。     

TC11及表面改性膜层在海水中的微动磨损研究

通过对TC11钛合金进行不同表面改性实验(微弧氧化、N+离子注入、DLC多层膜),得到不同表面改性膜层。利用扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)和Raman光谱研究表面改性层的相组成和微结构。在模拟海水环境下,采用SRV-IV微动磨损试验机评价TC11合金及不同表面改性膜层的微动磨损性能(摩擦系数、磨损量及磨损机制),并比较抗微动防护效果。结果表明,TC11经改性后摩擦系数呈现不同程度下降,磨损量的降低则非常明显,其中DLC多层膜抗微动防护效果最显著。海水介质中各摩擦系数显著比纯水中低。海水中钛合金的磨损量小于纯水中的数值,腐蚀与磨损呈"负交互作用"规律,而改性层磨损较纯水中略高。     

微弧氧化处理TC4表面微动磨损性能研究

利用微弧氧化技术在TC4钛合金表面制备高硬度陶瓷涂层,研究其表面抗微动磨损性能。结果显示陶瓷涂层主晶相为Al2TiO5相,硬度不均匀,由结合层向表面呈现先增高后降低的趋势,最高硬度达1150 HV0.05,远高于钛合金基体的硬度。微动磨损试验结果表明,陶瓷层的致密层起到主要防护作用。磨损初期阶段,疏松层脱落、细化、堆积同时伴随摩擦副较为严重的磨损;稳定阶段为滑动磨损,致密层磨损轻微,摩擦副磨损严重,钛合金磨屑由摩擦副向致密层转移。     

微动幅值对Ti-6Al-4V合金摩擦特性的影响

钛合金的微动磨损会加速裂纹萌生及扩展,甚至导致构件提前失效。为了在有限元建模过程中提供更加准确地反映钛合金摩擦特性的数据,更好地模拟微动磨损行为,对微动幅值为10~300μm时,球/平面接触Ti-6Al-4V合金的微动摩擦特性进行了研究,测量了不同微动幅值下的摩擦系数,对微动斑中心区域的表面形貌进行了表征,并对接触界面不同深度处的化学成分进行了检测。结果表明,微动幅值为100μm时摩擦系数最大,不同微动幅值下,摩擦系数的演变不一致,且摩擦系数的演变与微动模式有关;微动幅值的不同会导致表面形貌的差异,随着微动幅值的增大,磨屑颗粒逐渐减小,同时形状从块状逐渐向球形转变;此外,当微动幅值较大时,钛合...     

微弧氧化处理TC4合金表面微动磨损性能

利用微弧氧化技术在TC4钛合金表面制备高硬度陶瓷涂层,研究其表面抗微动磨损性能。结果显示,陶瓷涂层主晶相为Al_2TiO_5相,硬度不均匀,由结合层向表面呈现先增大后减小的趋势,最高硬度HV0.5达11 500 MPa,远高于钛合金基体的硬度。微动磨损试验结果表明,陶瓷层的致密层起到主要防护作用。磨损初期阶段,疏松层脱落、细化、堆积同时伴随摩擦副较为严重的磨损;稳定阶段为滑动磨损,致密层磨损轻微,摩擦副磨损严重,钛合金磨屑由摩擦副向致密层转移。     

TC21钛合金微弧氧化涂层微动磨损行为研究

采用球盘接触形式,在50 μm和150 μm位移振幅条件下,研究了载荷(60 N、40 N和20 N)对TC21钛合金及其表面微弧氧化(PEO)涂层切向微动磨损性能的影响。结果显示,随着位移振幅的增大和载荷的减小,TC21钛合金和PEO涂层的微动区域均由部分滑移区向滑移区转变。在部分滑移区,两种材料沿微动方向的磨痕宽度随载荷的减小而减小。虽均未出现明显的材料损失,但TC21钛合金边缘微滑区存在微裂纹的萌生和扩展,其程度随载荷的减小而加重,而微动对PEO涂层只起到了平滑作用。在滑移区,两种材料的磨痕宽度随载荷的减小而增大,且均存在局部磨损。磨损程度随振幅的增大和载荷的减小而加深。其中,PEO涂层的最大磨痕深度小于TC21钛合金,显示出更好的抗微动磨损性能。     

钛合金表面Al_2O_3陶瓷膜制备及性能研究

采用多弧离子镀技术在TC4钛合金表面制备了厚度约40μm的纯Al层,然后在恒流模式下对其进行不同时间的微弧氧化处理,以获得耐磨的Al_2O_3陶瓷膜。采用扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度计、摩擦磨损试验机和拉伸试验机对钛合金镀铝层微弧氧化膜的微观组织结构、显微硬度、耐磨性和结合力进行了观察和测量。结果表明:微弧氧化陶瓷层主要由γ-Al_2O_3和α-Al_2O_3以及少量的非晶相SiO_2组成,膜层均匀、致密。随着微弧氧化时间的延长,Al_2O_3陶瓷层厚度增加,镀铝层厚度减小。微弧氧化3 h时,Al_2O_3膜致密层硬度达到1261 HV。氧化4 h,Al_2O_3陶瓷层厚达60～70μm,镀铝层几乎全部氧化,钛合金基材亦发生轻微氧化;但是,基体钛合金的氧化反而导致Al_2O_3膜层内形成贯穿裂纹等缺陷,膜层硬度下降,膜层与钛合金基材的结合强度降低。Al_2O_3陶瓷膜的摩擦系数较钛合金基材的有所降低,磨损量明显降低。Al_2O_3陶瓷膜/镀铝层/钛合金体系结合强度大于40 MPa,最高可达68 MPa。     

接触载荷对TC4钛合金微动磨损行为的影响

目的在不同的载荷和位移幅值下,结合微动图研究微动接触状态、滑移状态、损伤体积三者对微动摩擦磨损的影响以及不同微动接触状态和滑移状态下材料的损伤机理,为机械构件的微动磨损防护设计提供一定的理论支持。方法在相对湿度为50%、干摩擦条件下,运用SRV-V摩擦实验机,采用球/平面接触形式研究了TC4钛合金/GCr15钢球摩擦副的微动摩擦磨损行为。实验后,用原子力显微镜、纳米压痕仪、三维光学轮廓仪、场发射扫描电子显微镜及其自带的EDS,测试TC4试样的表面形貌及粗糙度、弹性模量与硬度、磨损体积与截面形貌和显微结构及磨斑、磨屑形貌成分等。结果在较低法向载荷下,完全滑移(GSR)占主导地位。磨粒磨损、粘着磨损、氧化磨损以及疲劳脱层是主要的损伤机理。另一方面,在较高法向载荷下,混合滑移(MSR)、部分滑移(PSR)占主导地位。损伤机制是由于高的应力集中,导致疲劳裂纹。此外,不同的微动运行条件下和材料损伤区域也不相同。完全滑移条件下,损伤主要集中在磨斑中心,而部分滑移条件下,损伤主要集中在磨斑边缘。结论切向摩擦力、微动振幅是影响微动磨损的重要因素。小位移幅值下,磨屑可以减缓接触面钛合金基体材料的微动磨损;而大位移幅值下,磨屑会加剧接触面基体材料的微动磨损。     

AlCrN涂层转动微动摩擦学行为

在新型转动微动摩擦磨损试验装置上,采用球/平面接触方式,对多弧离子镀制备的AlCrN涂层与Si3N4陶瓷球进行转动微动试验,变化转角位移幅值,研究了涂层的转动微动摩擦磨损行为。结果表明:AlCrN涂层的转动微动摩擦行为明显依赖于转角位移幅值,随着转角位移幅值的增加,摩擦界面从部分滑移向完全滑移转变,摩擦因数明显增大且曲线走势明显不同。AlCrN涂层转动微动在转角位移幅值θ=0.5°时处于部分滑移状态,损伤极其轻微,界面主要由弹性变形协调;当θ增大为1°,微动运行于完全滑移状态,但涂层的损伤仍较轻,为轻微的磨粒磨损和氧化磨损;当θ进一步增大为2°,涂层损伤明显加重,且磨痕中心处有明显的塑性隆起的痕迹,与同处于滑移区的较小转角位移幅值(θ=1°)的情况明显不同。因此,转角位移幅值对AlCrN涂层的转动微动摩擦磨损行为有重要影响。     

钛合金在海水中的微动磨损特性

采用SRV磨损实验机对TC11钛合金在海水环境下的微动磨损特性进行了研究，分析了载荷大小、振幅以及润滑介质等对摩擦系数和磨损量的影响。结果表明，钛合金的摩擦系数随着振幅的增加而越来越稳定，磨损量则随着载荷或振幅的增加而增加：当振幅较小时，微动磨损机制主要为疲劳脱层伴随着磨粒磨损；当振幅较大时，磨损机制则为磨粒磨损：与水介质相比，海水中的摩擦系数明显降低，最低可降到50％，但在海水中的磨损量却总是小于在水中的磨损量，腐蚀磨损呈“负交互”规律。     

钛合金微弧氧化陶瓷膜的生物摩擦磨损性能

利用微弧氧化技术,采用甘油磷酸钙和乙酸钙混合电解液体系,在Ti6A14V钛合金表面制备了富含Ca,P元素的多孔陶瓷膜,研究了微弧氧化陶瓷层的摩擦学性能。在25%小牛血清润滑条件下,与Si3N4陶瓷球的滑动摩擦实验结果显示,微弧氧化处理使磨损率降低了近一个数量级,表明微弧氧化膜层具有良好的耐磨损性能;与牛骨的微动摩擦实验结果显示,微弧氧化陶瓷层的摩擦系数高于Ti6A14V,而且位移振幅越大摩擦系数越高,说明微弧氧化处理能有效阻止植入假体与骨组织之间的微动。     

TC4钛合金微弧氧化膜层动态热力学性能研究

在锆盐电解液体系中制备出厚度为20μm的微弧氧化膜层,通过动态热机械分析仪研究了TC4钛合金表面的微弧氧化膜层与基体结构的热-机耦合载荷失效行为。结果表明:温度对TC4钛合金微弧氧化膜层服役失效有重要影响。当升温到300℃时,膜层与基体开始出现热膨胀系数不稳定而产生热错配残余应力;当温度到达500℃时,膜层内部出现明显的裂纹,且膜层也在一定程度上与基体发生剥落行为。     

AZ91D表面微弧氧化陶瓷层形貌及磨损特性分析

利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、磨损试验、激光共聚焦显微镜等手段,分析了镁合金AZ91D微弧氧化陶瓷层表面、截面形貌及相组成,研究了微弧氧化试样和基体试样的磨损性能及三维形貌。结果表明,AZ91D镁合金经微弧氧化处理10 min后,陶瓷层与基体结合紧密,表面有微孔和裂纹存在且较为粗糙,陶瓷层最小厚度达62.9μm左右。陶瓷层主要由Mg2Si O4相和Mg O两相组成,膜层硬度为349.4 HV,摩擦因数达到0.119,其磨损破坏的形式主要为剥离和划伤,微弧氧化试样的耐磨性有所提高。     

触变成形AZ91D镁合金表面微弧氧化陶瓷层滑动摩擦磨损性能的研究

在以Na<,2>SiO<,3>为主体的电解液中,利用微弧氧化技术在触变成形AZ91D镁合金表面原位生长出厚60～65μm的膜层,用UMT-2MT型球-块往复式摩擦试验机对膜层的干滑动磨损行为进行了研究.用SEM、XRD分析了微弧氧化陶瓷层磨损前后的表面形貌和相组成.结果表明:微弧氧化膜层是由Mg<,2>SiO<,4>、Mg、MgO、MgO<,2>和A13.16Mg1.81组成的陶瓷层;在滑动磨损过程中,随着载荷的增大,摩擦系数先增大后减小,磨损率则先缓慢增长后迅速增长;随着频率的增加,摩擦系数逐渐降低,磨损率先上升后缓慢下降,磨损机制由微切屑磨损向磨粒磨损转变.     

载荷对TC21钛合金微弧氧化涂层微动磨损性能的影响

采用球盘接触形式,在50和150μm位移振幅条件下,研究了载荷(60、40和20 N)对TC21钛合金及其表面微弧氧化(PEO)涂层切向微动磨损性能的影响。结果显示,随着位移振幅的增大和载荷的减小,TC21钛合金和PEO涂层的微动区域均由部分滑移区向滑移区转变。在部分滑移区,2种材料沿微动方向的磨痕宽度随载荷的减小而减小。虽均未出现明显的材料损失,但TC21钛合金边缘微滑区存在微裂纹的萌生和扩展,其程度随载荷的减小而加重,而微动对PEO涂层只起到了平滑作用。在滑移区,2种材料的磨痕宽度随载荷的减小而增大,且均存在局部磨损。磨损程度随振幅的增大和载荷的减小而加深。其中,PEO涂层的最大磨痕深度小于TC21钛合金,显示出更好的抗微动磨损性能。     

TC4钛合金微弧氧化膜层成膜机理及特性分析

微弧氧化技术可以使铝、镁、钛等阀金属表面形成类火山状致密的陶瓷层,使其具有优良的耐蚀性、绝缘性、耐磨性和热冲击性。通过SEM、电化学工作站、粗糙度仪等分析了钛合金微弧氧化膜层成膜机理及膜层性能。结果表明,采用弱碱性硅酸盐-磷酸盐复合体系在TC4钛合金表面生成陶瓷膜,钛合金的耐蚀性能大幅度提升。膜层粗糙度随着厚度的增加而增大,当膜层厚度大于25μm时,表面粗糙度增长速度急剧增加。随着膜层厚度的增加,表面硬度先增大后减小,当膜层厚度为20～25μm时,表面硬度达到最大值。     

TC4钛合金的微动疲劳行为研究

研究了TC4钛合金在柱面-平面接触条件下的微动疲劳行为.通过观察微动区的磨损特征和截面形貌,分析了微动疲劳损伤机制,探讨了磨屑的形成与演变过程及其对微动疲劳行为的影响,考察了摩擦系数随时间的变化.结果表明,TC4钛合金微动区的损伤机制以粘着磨损、磨粒磨损和接触疲劳为主,并伴有氧化磨损.磨屑是基体材料脱落、破碎、氧化形成的,磨屑中的硬质氧化物颗粒促进了合金表面的磨粒磨损,加速了疲劳失效.     

TC4合金微动磨损颗粒的运动分布

完善钛合金微动摩擦磨损特性数据,以磨损颗粒在不同位移幅值下于界面间的运动分布为手段,研究不同运动分布下的微动行为和损伤机制。结果表明:位移幅值显著影响着磨损颗粒的运动分布。小位移下中心粘着撕裂形成的片状脱层沿垂直于微动的方向堆积成"脊";中等位移下磨屑颗粒平铺于接触表面;较大位移下团簇状磨屑沿平行于微动的方向重新聚集成水平"脊"。磨屑在接触界面不同的运动分布导致磨损机制由粘着磨损,过渡到磨粒伴随轻微粘着,最终以磨粒伴随氧化磨损为主。