1、Electric Welding MachineVol.53 No.1Jan.2023第 53 卷 第 1 期2023 年1 月TC4钛合金表面钎焊WC耐磨层的微动磨损性能研究张军1，蔡晓龙1，高禩洋2，张甲2，王廷31.中国航发动力股份有限公司，陕西 西安 7100152.中国科学院金属研究所 师昌绪先进材料创新中心，辽宁 沈阳 1100163.哈尔滨工业大学（威海）先进焊接与连接国家重点实验室，山东 威海 264209摘要：钛合金叶片在实际工况中通常承受不同程度的微动磨损，为了提高钛合金叶片的耐磨性需要在其表面制备抗磨、抗冲击的耐磨层，研究耐磨层的微动磨损性能对叶片的工作可靠性和服役寿命具
2、有重要作用。采用钛基钎料及感应钎焊工艺，在TC4钛合金基体上制备WC耐磨层，研究载荷、位移和频率等工况参数对耐磨层微动磨损性能的影响。结果表明：在小载荷条件下，位移和频率的变化对耐磨层平均摩擦系数影响不大；在中、高载荷条件下，频率变化对耐磨层平均摩擦系数影响较小，位移变化对耐磨层平均摩擦系数影响较大。在小位移条件下，耐磨层平均摩擦系数随载荷的增大而减小；在中、大位移条件下，载荷的变化对耐磨层平均摩擦系数的影响较小。位移幅值的变化对耐磨层的磨损体积具有显著影响。耐磨层的磨损形式主要为磨粒磨损和黏着磨损。关键词：WC耐磨层；微动磨损；摩擦系数；磨损体积；磨痕形貌中图分类号：TG457.1 文献标识
3、码：A 文章编号：1001-2303（2023）01-0056-07Study on Fretting Wear Resistance of Brazed WC Wear Resistant Layer on TC4 Titanium AlloyZHANG Jun1,CAI Xiaolong1,GAO Siyang2,ZHANG Jia2,WANG Ting31.Aero Engine Corporation of China Aviation Power Co.,Ltd.,Xian 710015,China2.Shi-changxu Innovation Center for Advance
4、d Materials,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China3.State Key Labortary of Advanced Welding and Joining,Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai 264209,ChinaAbstract:Titanium alloy blades usually bear different degrees of fretting wear in actual working
5、conditions.In order to improve the wear resistance of titanium alloy blades,it is necessary to prepare wear-resistant and impact resistant wear-resistant layers on them.Studying the fretting wear performance of wear-resistant layers plays an important role in the working reliability and service life
6、 of blades.WC wear-resistant layer was brazed on TC4 substrate by induction brazing using titanium based brazing filler metal.The effects of different loads,displacements and frequency vibrations on fretting wear properties of wear-resistant layer were studied.The results show that under the conditi
7、on of small load,the change of displacement and frequency has little effect on the average friction coefficient of the wear-resistant layer;under the condition of medium and high load,the change of frequency has little influence on the average friction coefficient of the wear-resistant layer while t
8、he change of displacement has a great influence on it.Under the condition of small displacement,the average friction coefficient of wear-resistant layer decreases with the increase of load,while under the condition of medium and large displacement,the change of load has little effect on the average
9、friction coefficient of wear-resistant layer.The change of displacement amplitude has a significant influence on the wear volume of the wear-resistant layer.The wear mechanisms of the wear-resistant layer are abrasive wear and adhesive wear.*收稿日期：2022-11-22修回日期：2022-12-01作者简介：张军（1980），男，工程硕士，研究员级高级工
10、程师，主要从事航空发动机产品先进焊接工艺及研究工作。通信作者：张甲，男，博士，副研究员。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.01.09Keywords:WC wear-resistant layer;fretting wear;friction coefficient;wear volume;surface morphology引用格式：张军，蔡晓龙，高禩洋，等.TC4钛合金表面钎焊WC耐磨层的微动磨损性能研究 J.电焊机，2023，53（1）：56-62.Citation:ZHANG Jun,CAI Xiaolong,GAO Siyang,et al.Stud
11、y on Fretting Wear Resistance of Brazed WC Wear Resistant Layer on TC4 Titanium AlloyJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):56-62.0前言钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好等突出优点，在国防工业和民用工业中，尤其在航空领域有着广泛的应用1，已应用于航空发动机压气机和风扇叶片。但是钛合金摩擦磨损性能差，主要表现有：塑性剪切抗力较低；表面加工硬化能力差；摩擦磨损过程中产生的磨屑很容易碎化和去除，对钛合金基材表面保护作用微弱2。钛合金的摩擦磨损形式主要有：黏着磨损、磨
12、粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、氧化磨损和微动磨损3-4。根据钛合金构件服役工况不同，其主要磨损形式也不同。随着航空发动机运转速度越来越快，微动磨损成为零部件主要失效形式之一，尤其是钛合金叶片的叶冠及榫槽部位微动磨损现象严重。不同于常规的磨损，微动磨损是指在交变载荷作用下，两接触表面间发生振幅极小的相对运动5-7，一般为微米量级，这会导致构件间发生松动或破坏，甚至会萌生裂纹并发展成为结构疲劳的裂纹源，严重影响构件的疲劳寿命8，造成极大的危害。由于钛合金材料本身耐磨性差，往往不能满足工作要求，为了满足钛合金叶片的工作条件、提高可靠性和延长使用寿命，通常需要在钛合金叶片的相应部位制备抗磨、抗冲击的耐磨
13、层8-9。典型的耐磨层制备方法包括离子注入、化学镀、等离子喷涂、电子束物理气相沉积、超音速火焰喷涂、冷喷涂、激光熔覆、表面氧化技术等10-11。针对风扇钛合金叶片的结构特点通常采用感应钎焊耐磨层制备工艺12，但目前对于感应钎焊制备的耐磨层的摩擦磨损行为，特别是微动磨损性能缺乏系统的研究与评价，限制了耐磨层在苛刻工况条件下的进一步应用。本文采用钛基钎料，通过感应钎焊工艺，在常用叶片材料TC4钛合金表面制备了碳化钨（WC）耐磨层。通过模拟工况的微动磨损试验，研究了载荷、位移、频率等工况参数对WC耐磨层的摩擦系数、磨损体积的演变规律，研究结果对于耐磨层的工程化及工程应用具有一定的参考价值。1试验材料
14、及方法试验基材为TC4钛合金，其化学成分如表1所示，合金组织为典型的等轴+双相组织结构。试验过程中，首先将TC4待焊面用合金锉去除表面氧化物，将B-Ti57CuZrNi-S粉状钎料（化学成分见表2）与铸造WC硬质合金粉末按照质量分数比50%:50%均匀混合，粉状钎料粒度为-150目，WC硬质合金粉末粒度为-60+80目，再用粘接剂将混合粉末调制成膏状，置于试样顶部，在充氩高频感应钎焊设备中进行钎焊，钎焊温度960975。微动磨损试样耐磨层尺寸13.0 mm4.1 mm，厚度0.30.4 mm。微动磨损试样实物如图1所示。微动磨损试验示意如图2所示。待测样品为下试样，通过夹具水平固定；上试样（氮
15、化硅陶瓷球，直径4 mm）至于水平位置O处；当对上试样施加的法向载荷达到预设值并保持5 s后，启动电机带动上表1TC4合金化学成分（原子百分比，%）Table 1Chemical composition of TC4 alloy（at.%）表2钎料化学成分（原子百分比，%）Table 2Chemical composition of brazing filler metal（at.%）第 1 期张军，等：TC4 钛合金表面钎焊 WC 耐磨层的微动磨损性能研究Keywords:WC wear-resistant layer;fretting wear;friction coefficient;w
16、ear volume;surface morphology引用格式：张军，蔡晓龙，高禩洋，等.TC4钛合金表面钎焊WC耐磨层的微动磨损性能研究 J.电焊机，2023，53（1）：56-62.Citation:ZHANG Jun,CAI Xiaolong,GAO Siyang,et al.Study on Fretting Wear Resistance of Brazed WC Wear Resistant Layer on TC4 Titanium AlloyJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):56-62.0前言钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好等突出优点，在国防工业和民用工业中，尤其在航空领域有着广泛的应用1，已应用于航空发动机压气机和风扇叶片。但是钛合金摩擦磨损性能差，主要表现有：塑性剪切抗力较低；表面加工硬化能力差；摩擦磨损过程中产生的磨屑很容易碎化和去除，对钛合金基材表面保护作用微弱2。钛合金的摩擦磨损形式主要有：黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、氧化磨损和微动磨损3-4。根据钛合金构件服役工况不同，其主要磨损形式也不同。
