损伤容限型钛合金TC4-DT的微动磨损性能

采用正交实验设计法,选择影响钛合金微动磨损的位移、载荷、频率3个主要因素,设计L16(4~5)正交表,研究钛合金TC4-DT在不同试验条件下的抗微动性能。以磨损量、摩擦因数为指标研究其微动摩擦磨损特性。结果表明:影响钛合金TC4-DT微动磨损性能的3个因素中,位移、载荷为高度显著影响,频率为显著影响。钛合金TC4-DT的微动磨损为磨粒磨损、粘着磨损和剥层磨损交互作用的结果。     

几种机械零件的微动磨损失效分析

微动磨损对机械零件运行的可靠性有重要影响。高速柴油机连杆体-连杆盖、柴油机主轴承座-主轴承盖、大型压缩机连杆体-连杆盖以及大型挖掘机斗杆高压油管夹等零件往往会因微动磨损而失效。分析了这些零件的工况及其微动磨损的特征,提出了预防微动磨损失效的措施。     

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。     

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。     

激光淬火对钛合金TC11微动磨损性能的影响

研究了激光淬火对钛合金TC11微动磨损性能的影响。结果表明：在不同微动幅度和法向载荷作用下,钛合金TC11激光淬火后抗微动磨损能力均有所提高,提高幅度与微动幅度大小和法向载荷高低有关。钛合金TC11激光淬火后微动磨损性能的改善是组织细化、表面硬度提高的结果。     

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.     

Ti811合金的高温微动疲劳行为

利用高频疲劳实验机和自制高温微动疲劳装置,研究了温度、位移幅度、接触压力等因素在对Ti811钛合金高温微动疲劳(FF)行为的影响,并通过形态特征分析,研究了微动疲劳的失效机理.结果表明:350℃和500℃的高温下,Ti811合金微动疲劳敏感性较高,且随着温度的升高,微动疲劳的敏感性增强,蠕变是高温下Ti811合金FF失效的重要影响因素;FF的寿命随着接触压力和位移幅度的变化均呈现出非单调的变化规律,原因是名义接触压力的变化改变了接触区应力分布、应力集中状况和微动位移幅度大小,进而影响FF裂纹萌生几率和扩展驱动力;位移幅度变化影响了疲劳应力因素和磨损在FF过程中所起作用和机制.     

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.     

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。     

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。     

表面织构下钛合金不同周次的微动磨损行为*

在航空发动机中,钛合金零部件的微动磨损不可避免。表面织构能在一定程度上减缓微动磨损,然而目前对表面织构下钛合金不同周次微动磨损行为的认识尚有不足。在 TC4 钛合金表面通过激光加工制备不同方向的沟槽状表面织构,随后进行不同周次的微动磨损试验。试验结果表明,在磨损的初期,有垂直方向表面织构的样品微动循环图更“瘦长”;随着磨损的进行,磨屑的分布状态发生了改变,其微动循环图变的和平行织构的样品以及无织构的样品相同。整个磨损过程随微动周次增加,分为黏着阶段和稳定阶段,垂直织构的样品上,黏着阶段又可被细分为黏着区域分散的阶段和黏着区域成片的阶段。 随周次增加,磨屑的演变是由大块的磨屑层经不断被碾碎、氧化,转换成小块的磨屑,并且最终转换成细小的颗粒磨屑,被排出到磨损区域之外。研究结果对认识微动磨损行为中不同周次下表面织构的作用及磨屑的演化具有一定理论意义。     

钛合金表面抗微动磨损方法研究现状

对常用钛合金抗微动磨损方法进行了综述和评价,并对钛合金抗微动磨损方法发展趋势进行展望,提出其研究重点将集中在设计和制备强韧搭配涂层、软硬结合离散涂层等方面。     

等离子喷涂纳米ZrO_2涂层的摩擦磨损性能研究

采用等离子喷涂法在钛合金(TC4)基体上制备纳米陶瓷涂层。研究了烧结型陶瓷、纳米陶瓷和纳米球化陶瓷涂层的微动摩擦磨损性能。结果表明:在微动磨损滑移区、不同载荷水平下,三种涂层均呈现相同的耐磨性规律,耐磨性能由好到差的顺序为纳米球化陶瓷纳米陶瓷烧结型陶瓷。     

钛合金抗微动损伤的研究进展

钛合金对微动磨损和微动疲劳非常敏感,严重限制其推广应用。采用表面处理提高钛合金的抗微动损伤性能获得了良好效果。本文综述了表面涂覆技术、表面改性技术和复合表面处理技术等提高钛合金的抗微动损伤性能的研究进展,概述了表面处理提高钛合金微动损伤的机理,并展望了其未来的研究重点。     

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。     

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。     

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。     

7075铝合金在VG46油润滑工况下的扭转复合微动磨损特性

采用球/平面接触方式,考察7075铝合金在VG46油润滑工况下不同倾斜角度和角位移幅值对扭转复合微动磨损特性的影响。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)分析7075铝合金的磨痕表面及剖面形貌、磨损机制,用双模式表面轮廓仪分析磨损体积。结果表明:润滑油对扭转复合微动运行和损伤机制存在显著影响,润滑油明显改变微动运行区域,随着倾斜角度的增加,微动的混合区逐渐缩小甚至完全消失。微动运行区域对润滑油的润滑性能也有重要影响,在部分滑移区,微滑仅发生在接触边缘,润滑油对微动的影响甚微;在混合区,润滑油渗入表面微裂纹加速了疲劳裂纹的扩展;在滑移区,接触界面间形成了润滑油膜,显著地减缓了微动损伤。     

微弧氧化对TC4钛合金微动磨损行为的影响

采用微弧氧化技术,在TC4钛合金表面制备高硬度氧化陶瓷层(MAO),对比研究了TC4钛合金基体与微弧氧化陶瓷层在2种不同位移幅值下的微动磨损行为。结果表明:位移幅值由80μm增大到150μm时,TC4钛合金基体微动损伤机制由粘着磨损和磨粒磨损转变为疲劳磨损和氧化磨损,而微弧氧化陶瓷层的损伤机制始终以氧化磨损为主;位移幅值为80μm时,TC4钛合金基体与微弧氧化陶瓷层磨损量均较小,而摩擦系数大且波动大;位移幅值为150μm时,两者磨损量出现不同程度的增大,而摩擦系数略有下降且趋于平稳;与TC4钛合金基体相比,微弧氧化陶瓷层的平均摩擦系数小,磨损轮廓浅,且磨损量仅为钛合金基体的70%。微弧氧化陶瓷涂层能够保护钛合金基体表面,有效改善TC4钛合金耐磨性。     

激光表面织构形状参数对钛合金摩擦学性能的影响

针对钛合金耐磨性差的问题,利用激光技术在TC4钛合金样品表面刻蚀出具有不同形状、间距和宽度(直径)的织构,基于CSM球盘式摩擦磨损试验机研究织构形状参数对钛合金在油润滑条件下摩擦学性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)观察钛合金表面织构的微观形貌及磨痕形貌,利用白光干涉仪测试表面织构和磨痕的三维轮廓并通过计算得到磨损率。结果表明,网格型织构的摩擦因数比沟槽型和点阵型织构更小并且更稳定。织构的间距和宽度(直径)等形状参数显著影响钛合金的磨损性能。原始表面抛光钛合金样品磨损率高于表面织构处理后样品,原始钛合金样品的磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损,而由于表面织构能起到收集磨屑,储存润滑油的作用,从而显著提升了钛合金的耐磨性。