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。     

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。     

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。     

Ti—6Al—4V合金微动磨损的表面防护

分析对比了Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金经喷丸后抛光、火焰喷涂Ｃｕ涂层、等离子喷涂锡青铜、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｉｎ和ＷＣ／Ｃｏ－Ｉ涂层、爆炸喷涂ＷＣ／Ｃｏ－Ⅱ、Ｎｉ－６０和化学镀镍磷镀层等处理后，在室温和５００℃下的抗微动磨损性能。结果表明：ＷＣ／Ｃｏ－Ｉ涂层有较好的综合防护效果。     

纯钛和钛合金在人工唾液中的复合微动磨损行为(英文)

在改进后的液压伺服双向微动磨损试验机上实现双向微动。在人工唾液环境中,对TA2纯钛和Ti6Al7Nb合金在6 mm/min的加载速度下以不同接触倾角(45°和60°)和不同最大外加载荷(200~400 N)条件下进行复合微动磨损实验。详细研究循环垂向力和倾斜角的影响。结合动力学分析与微观检测结果显示:磨痕和塑性变形累积呈现强烈的非对称性。在人工唾液环境中和相同实验参数下,Ti6Al7Nb合金比TA2纯钛具有更好的抗磨损性能,并随着倾斜角度的增加和外加载荷的降低,磨损相应减轻。TA2纯钛和Ti6Al7Nb合金在人工唾液环境中的复合微动磨损机制是磨粒磨损、氧化磨损和剥层。     

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。     

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。     

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。     

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。     

扭动微动磨损的研究进展和现状

扭动微动磨损是微动磨损的一种,文中介绍了国内外扭动微动磨损的研究进展及成果,综述了典型金属材料、高分子材料和天然软骨的扭动微动磨损的研究结果,包括扭动微动的摩擦运行行为、材料响应行为、界面的摩擦化学行为、损伤物理模型和演变规律等,对于不同种类材料在部分滑移区、混合区、滑移区的损伤规律进行了系统的总结,发现了扭动微动运行区域特性具有与其它模式的微动磨损不同的特点等一系列现象,并探讨了其今后的可能的发展方向和研究重点。     

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-...     

钛及其合金的扭动微动摩擦磨损特性

采用新型扭动微动试验机在法向载荷为50、80和110 N及角位移幅值为0.3°~10°的条件下进行TA2和TC4合金与ZrO2对磨球的扭动微动试验。在摩擦动力学行为研究的基础上,结合磨痕形貌微观分析,考察TA2和TC4合金的扭动微动磨损特性。结果表明:可用摩擦扭矩—角位移曲线和摩擦扭矩时变曲线表征合金的扭动微动行为,获得了TA2和TC4合金的扭动微动运行工况微动图,TA2合金的混合区较TC4合金的宽。摩擦扭矩随法向载荷和角位移幅值的增加而增加,在相同试验条件下,TA2合金的摩擦扭矩始终大于TC4合金的。在部分滑移区,损伤轻微;在混合区和滑移区,损伤加剧,扭动微动摩擦磨损机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥落。     

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。     

离散涂层对TC4钛合金微动磨损性能影响

采用电火花强化技术和IBED技术复合处理TC4钛合金,生成了离散复合强化层。强化层主要由电极材料和基体材料反应生成的化合物组成。强化层微动磨损体积损失是未处理试样的1/40,磨损机制为片层剥落和局部颗粒剥落。     

钛合金表面技术的进展

钛合金具有抗腐蚀能力强、强度高、密度低、中温性能稳定等一系列的特征，但其所固有的一些缺点限制了它的应用，例如对粘着磨损非常敏感、容易氧化，对聚合物，金属及陶瓷涂层附着力差等。为克服这些缺点采取了相应的对策与手段，着重指出Ag,Cd镀层可用于钛合金在低温下的耐磨防护；Co CrO3复合镀层及阳极氧化＋干膜润滑剂等可用于钛合金在中温条件下的耐磨防护。随着钛合金使用温度的提高，TixAlyN涂覆层则代表了钛合金耐磨防护的发展方向。     

钛合金自冲铆接头微动磨损机理及疲劳性能

对钛合金同种TA1-TA1（TT）及异种TA1-Al5052（TA）,TA1-H62（TH）自冲铆接头进行疲劳试验,用扫描电子显微镜对断口及微动区进行观测研究其微动磨损机理,并研究下板强度对接头疲劳寿命和失效形式的影响.结果表明,断口裂纹萌生区即为微动磨损区.微动磨损导致微动区亚表面产生微裂纹并逐步扩展为宏观疲劳裂纹导致接头最终失效;微动磨屑在微动磨损过程中主要起减轻磨损作用.总体上TT接头具有最优疲劳性能,疲劳载荷较高时TA接头疲劳性能优异,疲劳载荷较低时TH接头疲劳性能优异.两板强度相当且疲劳载荷较高时失效形式主要为铆钉断裂,疲劳载荷较低时失效形式主要为下板断裂;而下板强度与上板强度相差较大时,疲劳失效形式为下板断裂.     

钛合金摩擦磨损性能及减磨方法研究进展

钛合金具有比强度高、抗腐蚀性强、耐高温以及生物相容性好等优点,在汽车制造、生物医疗等众多领域具有重要应用。但钛合金的摩擦磨损性能较差,会影响机械系统的使用寿命和可靠性。首先论述了摩擦磨损过程中摩擦层的形成过程以及摩擦层对钛合金磨损机理的作用,分析了润滑条件、环境温度、滑动速度、载荷等工况条件对钛合金摩擦磨损性能的影响规律。其次,对比总结了钛合金减磨的常见工艺方法及优缺点,指出了当前钛合金磨损机理研究和性能改善方面存在的问题。最后,对今后的研究工作进行了展望:将实验与仿真相结合,阐明钛合金摩擦层和磨损机理的动态变化规律;考虑各种环境因素对钛合金磨损机理的影响,完善钛合金磨损机制图;通过对多种技术协同配合时的工艺参数进行优化,促进钛合金表面强化复合技术的发展,从而提升钛合金的耐磨减摩性能。     

Ti6Al4V 合金在Saline溶液中的扭动微动磨损

在球/面接触中存在四种微动模式,即切向、径向、转动和扭动微动,在生理介质中扭动微动是人工关节失效的主要原因之一。本文成功建立了一种可在恒温液体介质中实现球/面接触扭动微动的新的试验系统。利用该系统,在37℃的Saline溶液中进行了钛合金/二氧化锆陶瓷球的扭动微动试验,详细讨论了扭动微动的运行行为和损伤机理。结果表明,扭动微动动力学行为在很大程度上取决于扭动角位移振幅和周期数。研究建立了扭动微动运行工况图（RCFM）,包括3个区域,即：部分滑移区（PSR）,混合区（MFR）和完全滑移区（SR）。在部分滑移区,接触中心没有发现任何损伤,接触边缘上只观察到轻微的擦伤和磨损。在混合区,损坏区域从接触边缘向中心扩展,接触中心无损伤,接触边缘区域出现氧化磨损和损伤。在滑移区,整个接触区域均发生损伤,损伤机理主要是磨蚀磨损、氧化磨损、和粘着磨损。     

Cu/Ni多层膜对Ti811合金微动磨损和微动疲劳抗力的影响

在Ti811钛合金表面利用离子辅助磁控溅射沉积技术制备20～1200nm不同调制周期的Cu/Ni金属多层膜,分析多层膜的结构,测试膜基结合强度、膜层显微硬度和韧性,对比研究不同调制周期的Cu/Ni多层膜对钛合金基材常温下微动磨损性能和微动疲劳(FF)抗力的影响。结果表明:利用离子辅助磁控溅射技术可以获得致密度高、晶粒细化、膜基结合强度高的Cu/Ni多层膜,该类多层膜具有良好的减摩润滑作用,因而改善了Ti811钛合金常温下抗微动磨损和微动疲劳性能;Cu/Ni多层膜对钛合金FF抗力的改善程度随膜层调制周期呈现非单调变化趋势,调制周期为200nm的Cu/Ni多层膜对钛合金FF抗力的提高程度最大,原因归于该膜层具有良好的强韧和润滑综合性能。