1、2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.005文献引用:宋伟，马荣荣，俞树荣，等高温下位移幅值对 TC4 合金磨损性能的影响 J 润滑与密封，2023，48(2):3238Cite as:SONG Wei，MA ongrong，YU Shurong，et alEffects of displacement amplitude on wear performance of TC4 alloy at high tempera-ture
2、 J Lubrication Engineering，2023，48(2):3238*基金项目:国家重点研发计划项目(2020YFB2010001)收稿日期:20211215;修回日期:20220116作者简介:宋伟(1979)，男，博士，副教授，研究方向为过程装备结构完整性。Email:songwei 。通信作者:俞树荣(1962)，男，博士，教授，研究方向为结构强度。Email:yusrlut 。高温下位移幅值对 TC4 合金磨损性能的影响*宋伟马荣荣俞树荣李万佳(兰州理工大学石油化工学院甘肃兰州 730050)摘要:钛合金的微动磨损会加速裂纹的形成与扩展，导致其构件提前失效。利用摩擦磨损
3、试验机考察 TC4 合金在300 和 500 温度下的微动磨损行为，利用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对磨痕轮廓及磨痕表面进行分析，探讨在 300 和 500 温度下 TC4 合金在不同位移幅值作用下的微动磨损机制。实验结果表明:高温条件下，试样平均摩擦因数和磨损率随位移幅值的增加呈现先增大后减小的趋势;两种高温环境中，小位移幅值时，微动运行区域为部分滑移区，主要损伤机制为黏着磨损和氧化磨损;位移幅值为 100 m 时，微动运行区域为混合滑移区，主要磨损机制为氧化磨损、剥层磨损及塑性变形;大位移幅值时，微动运行区域为完全滑移区，主要磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损。对比 300 和 500 条件
4、下磨损结果，表明温度越高 TC4 合金耐磨性能越好，这主要是由于摩擦生成的氧化物 TiO2和 Fe2O3对磨损表面具有保护作用。关键词:TC4 钛合金;高温微动磨损;位移幅值;磨损机制;滑移区中图分类号:TH117;TG146Effects of Displacement Amplitude on Wear Performanceof TC4 Alloy at High TemperatureSONG WeiMA ongrongYU ShurongLI Wanjia(College of Petrochemical Industry，Lanzhou University of Technolo
5、gy，Lanzhou Gansu 730050，China)Abstract:Fretting wear of the titanium alloy will accelerate the formation and expansion of cracks，leading to the failureof the components in advanceThe fretting wear behavior of TC4 alloy at 300 and 500 was studied by friction andwear testerThe wear scar profile and su
6、rface were analyzed by scanning electron microscope and laser confocal micro-scope，and the fretting wear mechanism of TC4 alloy under different displacement amplitudes at 300 and 500 wasdiscussedThe experimental results show that under high temperature conditions，the average friction coefficient and
7、 wearrate of the specimen increase first and then decrease with the increase of displacement amplitudeIn two high temperatureenvironments，when the displacement amplitude is small，the fretting wear is in the partial slip regime，and the main wearmechanisms are adhesive wear and oxidation wearWhen the
8、displacement amplitude is 100 m，the fretting wear is in themixed slip regime，and the main wear mechanisms are oxidation wear，delamination wear and plastic deformationWhen thelargescale mounting value，the micro operation area is in the slip regime，and the main wear mechanism is abrasive wearand fatig
9、ue wearWhen the displacement amplitude is large，the fretting wear is in a complete slip area，and the main wearmechanisms are abrasive wear and fatigue wearComparing the wear results at 300 and 500，it shows that the higherthe temperature，the better the wear resistance of TC4 alloyThis is mainly becau
10、se the oxides TiO2and Fe2O3generated byfriction play a role to protect the wear surfaceKeywords:TC4 titanium alloy;high temperature fretting wear;displacement amplitude;wear mechanism;slip area微动(Fretting)指两个接触表面发生极小振幅的相对运动，通常存在于振动工况下机械配合件中，会造成接触表面摩擦磨损1。微动主要分为微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀，其中微动磨损是材料失效的主要因素2，研究材料的微动
11、磨损成为预防设备失效的主要途径。钛及钛合金具有高比强度、耐腐蚀性和耐高温等优良特性而被称为“太空金属”或“海洋金属”3，在国防和民用工业中有很好的应用前景4。钛合金广泛应用于制造航空发动机的关键部件以及飞机结构中的重要承载力构件，但其在使用过程中易发生滑动和微动5。较差的摩擦学性能成为限制钛合金更广泛应用的主要屏障，迫切需要改善其摩擦和磨损性能，使其更可靠地应用在高温和高负荷条件下工作的高性能航空发动机中6。TC4 合金是一种+型双相钛合金，具有良好的综合力学性能7。EN 等8 对高强度高韧性钛合金在不同工艺参数下微动磨损性能进行了研究，结果表明，超声滚压时表面粗糙度较低、显微硬度值更大以及较
12、深的残余应力层，均使钛合金的抗磨损性能达到最佳。SOYAMA、YANG 等910 通过空化喷丸和激光喷丸对钛合金的表面进行后处理，结果表明，喷丸处理时弹丸不断撞击钛合金表面，使钛合金表面晶粒纳米化，疲劳强度进而提高。LIU 等11 对电子束粉末床制备的 TC4 合金平板试件进行后处理，结果表明，热压处理后的拉伸行为增强，可以缓解应力和减少对力学性能有害的缺陷;同时通过机械加工和致密化的综合作用获得了最佳的延展性。徐祥、曾尚武等1213 对高温条件下 TC4 合金宏观、微观形貌以及氧化动力学进行了研究，探究了其高温氧化动力学行为。结果表明:高温氧化过程中，TC4 合金表面的氧化膜随温度和氧化时间
13、的增加，由开裂直至完全剥落;随氧化时间的增加，TC4 合金近表面产生的渗氧层厚度增加;随着温度升高，氧化程度加强，氧化动力学曲线由抛物线转化为直线规律。宋伟、俞树荣等1415 对 TC4 合金在不同环境介质中微动磨损行为进行了研究，结果表明:在不同条件下，GCr15/TC4合金配副的摩擦因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，而磨损率随之减小。研究发现，航空航天领域所需的钛合金材料高温氧化以及蠕变成为其失效的关键16。为使钛合金能在航空领域被广泛应用，高温状态下钛合金的摩擦磨损行为成为关注点，但目前高温条件下产生的物质对微动磨损过程的影响还不清楚17。学者
14、们对最常用的航空结构材料之一的 TC4 合金在不同状态、不同环境和不同工况下的磨损性能进行了研究18，但对高温环境中 TC4 合金微动磨损性能研究较少19。本文作者以工业中应用广泛的 TC4 合金为研究对象，探究高温(300、500)条件下由位移幅值引起的摩擦磨损行为，分析其摩擦因数、磨损体积以及磨损表面和磨斑形貌，讨论其微动磨损机制及氧化磨屑的作用机制，为航空发动机以及其他 TC4 合金飞行结构件的安全性和可靠性设计提供理论支持。1试验部分以宝鸡三立有色金属有限责任公司生产的 TC4合金为研究对象，利用如图 1 所示的 SVIV 摩擦磨损试验机考察其摩擦性能研究。试验采用切向微动的运行模式，
15、采用球/平面接触方式。上试样是直径 10mm、表面粗糙度小于 0.02 m、硬度约 6 800 MPa 的GCr15 钢球，下试样为硬度约 3 000 MPa 的圆柱形TC4 合金。试验前，先使用 SiC 金相水磨砂纸逐级打磨下试样接触表面，然后用粒度为 0.04 m 的 SiO2抛光液抛光至表面粗糙度为 0.03 m 左右，最后在无水乙醇溶液中超声清洗除去残留在试样表面的抛光液以及表面污染物等，吹干后备用。图 1微动磨损试验机及试验示意Fig.1Schematic of fretting wear testingmachine and experimental operation通过调查钛合
16、金在航天航空领域的应用，发现飞机结构件中使用的钛合金工作温度不超过 350 20，发动机使用的钛合金工作温度一般在 450600 21。TC4 合金的组织不够稳定，焊接性能和耐热性较低22，使用温度最高为 500，所以文中将试验温度分别设置在 300 和 500 下进行。为保证试验时温度场的稳定，将温度缓慢提升至试验所需温度后保温10 min，待温度稳定后开始试验。微动磨损试验的其他条件为:湿度 30%40%，位移幅值 D=50、75、100、125、150 m，法向载荷 50 N，频率 25 Hz，循环周次 45 000 次，试验时间 30 min。试验结束后使用扫描电子显微镜(SEM)对磨损体积以及磨损轮廓进行分析，用能谱仪(EDS)定性分析磨痕氧含量的变化;结合摩擦因数曲线、微动理论来探究 TC4332023 年第 2 期宋伟等:高温下位移幅值对 TC4 合金磨损性能的影响合金在不同试验参数下的微动磨损机制。2试验结果与讨论2.1微动摩擦因数分析图 2 所示为 TC4 合金在 300 和 500 下平均摩擦因数随着位移幅值的变化曲线。TC4/GCr15 对摩副在不同温度下的平均摩
