郭 薇，李 健，黃淑梅，王運(yùn)鋒，何 蕾

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安，710016)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安，710072)

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微動(dòng)幅值對(duì)Ti-6Al-4V合金摩擦特性的影響

郭 薇1，李 健2，黃淑梅1，王運(yùn)鋒1，何 蕾1

(1.西北有色金屬研究院，陜西 西安，710016)(2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安，710072)

鈦合金的微動(dòng)磨損會(huì)加速裂紋萌生及擴(kuò)展，甚至導(dǎo)致構(gòu)件提前失效。為了在有限元建模過(guò)程中提供更加準(zhǔn)確地反映鈦合金摩擦特性的數(shù)據(jù)，更好地模擬微動(dòng)磨損行為，對(duì)微動(dòng)幅值為10～300 μm時(shí)，球/平面接觸Ti-6Al-4V合金的微動(dòng)摩擦特性進(jìn)行了研究，測(cè)量了不同微動(dòng)幅值下的摩擦系數(shù)，對(duì)微動(dòng)斑中心區(qū)域的表面形貌進(jìn)行了表征，并對(duì)接觸界面不同深度處的化學(xué)成分進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，微動(dòng)幅值為100 μm時(shí)摩擦系數(shù)最大，不同微動(dòng)幅值下，摩擦系數(shù)的演變不一致，且摩擦系數(shù)的演變與微動(dòng)模式有關(guān)；微動(dòng)幅值的不同會(huì)導(dǎo)致表面形貌的差異，隨著微動(dòng)幅值的增大，磨屑顆粒逐漸減小，同時(shí)形狀從塊狀逐漸向球形轉(zhuǎn)變；此外，當(dāng)微動(dòng)幅值較大時(shí)，鈦合金表面氧化嚴(yán)重，并伴隨有氮化物的形成。

Ti-6Al-4V合金；微動(dòng)磨損；微動(dòng)摩擦系數(shù)；微動(dòng)幅值；表面粗糙度

0 引 言

機(jī)械連接的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件在服役狀態(tài)下不可避免地會(huì)出現(xiàn)微動(dòng)行為。所謂微動(dòng)是指緊密接觸的組件間發(fā)生小幅值相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它會(huì)加速裂紋萌生及擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件咬合松動(dòng)、噪音，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致構(gòu)件提前失效?，F(xiàn)有的研究表明，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件失效中涉及微動(dòng)損傷的高達(dá)90%[1]。

鈦合金以其密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)良而被廣泛地用做飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，但是眾所周知鈦合金的耐磨性能差，因此機(jī)械連接的鈦合金結(jié)構(gòu)件的微動(dòng)磨損引起人們的高度重視。研究人員利用力學(xué)測(cè)試、金相分析等手段對(duì)鈦合金的微動(dòng)磨損行為、磨損機(jī)制以及微動(dòng)裂紋萌生等進(jìn)行了大量研究[2-4]。 Zhou等人[5-6]較早研究了金屬的微動(dòng)損傷現(xiàn)象，并首先利用微動(dòng)圖(RCFM)以及材料響應(yīng)圖(MRFM)研究了鈦合金的微動(dòng)磨損行為。Hager[7]表征了Ti-6Al-4V合金的微動(dòng)模式處于混合區(qū)及全滑移區(qū)時(shí)，臨界載荷與幅值的相互關(guān)系，結(jié)果表明臨界載荷與位移存在線性關(guān)系。相比常規(guī)載荷，Huang[8]則關(guān)注大載荷下的微動(dòng)情況，對(duì)高法向載荷時(shí)界面的微動(dòng)磨損行為進(jìn)行了研究。

綜上所述，研究人員對(duì)鈦合金的微動(dòng)磨損行為及損傷機(jī)理進(jìn)行了大量研究，并且大部分研究集中在混合及全滑移區(qū)域。而關(guān)于微動(dòng)摩擦特性方面的研究相對(duì)較少，特別是對(duì)于不同幅值下鈦合金微動(dòng)摩擦系數(shù)、界面粗糙度以及界面形貌的相關(guān)報(bào)道較少。研究摩擦特性有利于了解微動(dòng)磨損行為，其參數(shù)在有限元建模過(guò)程中有重要作用(目前鈦合金微動(dòng)磨損有限元建模過(guò)程中摩擦系數(shù)來(lái)自于常規(guī)滑動(dòng)摩擦)，因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究。本研究主要分析Ti-6Al-4V合金在球/平面接觸下，不同微動(dòng)幅值對(duì)微動(dòng)摩擦系數(shù)、表面粗糙度以及界面形貌的影響，旨在為鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的安全服役提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)件及對(duì)磨件所用材料均為T(mén)i-6Al-4V合金，其各項(xiàng)性能見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用Ti-6Al-4V合金的各項(xiàng)性能

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)件、對(duì)磨件尺寸見(jiàn)圖1。其中，試驗(yàn)件固定，由微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)控制對(duì)磨件進(jìn)行往復(fù)微動(dòng)。試驗(yàn)件為直徑8.00 mm，厚度3.00 mm的圓片，對(duì)磨件為圓柱狀，接觸面為球形。實(shí)驗(yàn)前先用砂紙對(duì)試驗(yàn)件和對(duì)磨件的接觸界面進(jìn)行打磨，并用酒精清洗。打磨后表面粗糙度Ra為0.04 μm。

圖1 微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)照片及試驗(yàn)件、對(duì)磨件尺寸Fig.1 Photos of fretting friction testing machine and the sizes of test piece and grinding piece

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為23±3 ℃，濕度為40% ±5%。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)控制微動(dòng)幅值、法向載荷、往復(fù)頻率以及循環(huán)次數(shù)，試驗(yàn)機(jī)將自動(dòng)計(jì)算并輸出微動(dòng)摩擦系數(shù)、切向力。

實(shí)驗(yàn)選擇的微動(dòng)幅值為10～300 μm，采用的頻率為10 Hz，法向載荷為40 N，接觸形式為球/平面接觸。利用光學(xué)自動(dòng)對(duì)焦三維形貌測(cè)量?jī)x分析界面形貌及粗糙度，利用JSM 6460掃描電鏡(SEM)分析顯微形貌，采用SEM自帶的能譜分析設(shè)備(EDS)檢測(cè)其化學(xué)成分。

2 結(jié)果與分析

2.1 微動(dòng)摩擦系數(shù)

微動(dòng)摩擦系數(shù)是分析摩擦行為的重要參數(shù)，微動(dòng)幅值不同，微動(dòng)摩擦系數(shù)也不同。圖2為不同微動(dòng)幅值下Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件的微動(dòng)摩擦系數(shù)曲線?？梢钥闯?，隨著微動(dòng)幅值的增大，摩擦系數(shù)迅速增大，當(dāng)達(dá)到最大值后，出現(xiàn)下降。本研究中，微動(dòng)幅值為100 μm時(shí)，摩擦系數(shù)最大，出現(xiàn)這種情況主要與微動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)微動(dòng)幅值較小時(shí)，微動(dòng)狀態(tài)處于部分滑移狀態(tài)，即接觸體界面中心區(qū)域主要發(fā)生彈性變形，并發(fā)生微量的相對(duì)位移，而外圍區(qū)域處于滑移狀態(tài)，此時(shí)微動(dòng)可被視為類(lèi)似靜摩擦行為。隨著微動(dòng)幅值增大，靜摩擦力增大，微動(dòng)摩擦系數(shù)增大。當(dāng)微動(dòng)幅值進(jìn)一步增大時(shí)，微動(dòng)狀態(tài)向混合滑移狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時(shí)具有最大的摩擦系數(shù)，這與接觸區(qū)域表面形貌有較大關(guān)系。當(dāng)微動(dòng)幅值較大時(shí)，微動(dòng)狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換為全滑移狀態(tài)，摩擦系數(shù)逐漸保持穩(wěn)定，與Pearson等人[9]的研究結(jié)果類(lèi)似。

圖2 不同微動(dòng)幅值下Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件的微動(dòng)摩擦系數(shù)曲線(N=5 000)Fig.2 Typical N-COF curves with various fretting amplitude of Ti-6Al-4V alloy test pieces

為了分析摩擦系數(shù)的演變過(guò)程，進(jìn)行了更長(zhǎng)時(shí)間的微動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。圖3為長(zhǎng)時(shí)間微動(dòng)摩擦過(guò)程中，不同微動(dòng)幅值下微動(dòng)摩擦系數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，微動(dòng)幅值較低時(shí)(10、20 μm)，在初始階段，摩擦系數(shù)緩慢下降；當(dāng)微動(dòng)幅值為50 μm時(shí)，微動(dòng)摩擦系數(shù)基本保持不變，100 μm時(shí)則緩慢上升，200、300 μm時(shí)出現(xiàn)了明顯的上升。圖4為不同微動(dòng)幅值下長(zhǎng)時(shí)間微動(dòng)前后Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件微動(dòng)摩擦系數(shù)的對(duì)比圖。從圖中可以看到，當(dāng)微動(dòng)幅值較小時(shí)(<100 μm)，微動(dòng)摩擦系數(shù)呈線性迅速增長(zhǎng)，而當(dāng)微動(dòng)幅值進(jìn)一步增大時(shí)，則緩慢下降。微動(dòng)摩擦系數(shù)的演變與微動(dòng)模式和摩擦熱有關(guān)。低幅值微動(dòng)模式為微動(dòng)疲勞形式，鈦合金表面氧化層在疲勞載荷作用下逐漸剝落，從而降低了摩擦系數(shù)。隨著微動(dòng)幅值的增大，微動(dòng)模式由微動(dòng)疲勞向微動(dòng)磨損轉(zhuǎn)變，摩擦耗散能也逐漸增大[6]，從而導(dǎo)致表面溫度隨微動(dòng)幅值的增大而升高，加速了新裸露鈦合金界面的氧化過(guò)程，氧化層厚度增大，進(jìn)而造成微動(dòng)摩擦系數(shù)增大。需要說(shuō)明的是，破碎的氧化層可以起到固體潤(rùn)滑劑的作用，降低摩擦系數(shù)，使摩擦系數(shù)最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖3 不同微動(dòng)幅值下Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件的微動(dòng)摩擦系數(shù)曲線(N=200 000)Fig.3 Typical N-COF curves with various fretting amplitude of Ti-6Al-4V alloy test pieces

圖4 不同循環(huán)次數(shù)下Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件的摩擦系數(shù)對(duì)比Fig.4 Comparison curves of COF of Ti-6Al-4V alloy test pieces under different cycles

2.2 微動(dòng)斑

微動(dòng)斑是微動(dòng)過(guò)程特有的現(xiàn)象，對(duì)微動(dòng)斑進(jìn)行分析有利于了解微動(dòng)行為。利用自動(dòng)對(duì)焦三維表面測(cè)量?jī)x對(duì)鈦合金微動(dòng)斑進(jìn)行分析，圖5為不同微動(dòng)幅值下Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件微動(dòng)斑的示意圖，其中數(shù)值代表不同的磨損深度，單位為mm。從圖中可以看出，微動(dòng)幅值為10 μm時(shí)，表面磨損深度較為均勻，表明此時(shí)處于粘著磨損狀態(tài)。微動(dòng)幅值為50 μm時(shí)，微動(dòng)斑形成滑移環(huán)，為典型的部分滑移狀態(tài)，即中間區(qū)域磨損深度較小，處于粘著區(qū)，外圍磨損深度大，處于滑移狀態(tài)。而微動(dòng)幅值為100、200 μm時(shí)，則可以看到中心區(qū)域磨損深度最大，結(jié)合關(guān)于微動(dòng)摩擦系數(shù)的分析可以知道，當(dāng)微動(dòng)幅值為100 μm時(shí)，微動(dòng)模式處于全滑移狀態(tài)與混合滑移狀態(tài)的交界處，即所謂的摩擦轉(zhuǎn)變區(qū)域(TTR區(qū)域)。而微動(dòng)幅值為200 μm時(shí)微動(dòng)狀態(tài)為典型的全滑移狀態(tài)。另外對(duì)比磨損深度可以看到，隨著微動(dòng)幅值的增大，相同循環(huán)次數(shù)下，磨損深度逐漸增大。

圖5 不同微動(dòng)幅值下Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件微動(dòng)斑的示意圖(N=200 000)Fig.5 Sketch of fretting scars of Ti-6Al-4V alloy test pieces under different displacement amplitudes

2.3 微觀形貌

表面形貌與微動(dòng)摩擦系數(shù)有直接聯(lián)系，不同的微動(dòng)幅值將導(dǎo)致界面形貌的差異。利用掃描電鏡(SEM)對(duì)不同微動(dòng)幅值下Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件的表面形貌進(jìn)行了觀察，其表面形貌見(jiàn)圖6。從圖6a可以看出，當(dāng)微動(dòng)幅值為10 μm時(shí)，表面有大量的裂紋及凹坑，形成了塊狀磨屑顆粒,此時(shí)為粘著狀態(tài)。微動(dòng)過(guò)程中表面主要發(fā)生彈性變形，長(zhǎng)時(shí)間的彈性變形將導(dǎo)致表面發(fā)生疲勞開(kāi)裂，破碎成小顆粒，并且形成的磨屑顆粒將在切向力的作用下遷移并堆積到接觸界面邊緣。

從圖6b、c可以看出，當(dāng)微動(dòng)幅值為50 μm時(shí)，表面存在兩種形貌，即球狀顆粒以及膜狀結(jié)構(gòu)。在微動(dòng)過(guò)程中，球狀磨屑顆粒隨溫度升高而粘著，形成膜狀結(jié)構(gòu)，而摩擦力的作用使膜狀結(jié)構(gòu)發(fā)生撕裂并被帶離微動(dòng)區(qū)域，從而導(dǎo)致下層的鈦合金裸露出來(lái)，并在往復(fù)摩擦過(guò)程中形成近球形顆粒。

當(dāng)微動(dòng)幅值進(jìn)一步增大時(shí)(圖6d、e)，摩擦熱也迅速增加，表面形成的球形顆粒氧化并“燒結(jié)”成膜狀的速度也加快。從圖中可以明顯看到表面被膜狀結(jié)構(gòu)覆蓋，同時(shí)膜狀結(jié)構(gòu)粘附大量細(xì)小顆粒。并且由于幅值增大，在往復(fù)微動(dòng)過(guò)程中，形成的瞬時(shí)沖擊作用加大，因此表面膜狀結(jié)構(gòu)發(fā)生了撕裂。大量的膜狀結(jié)構(gòu)覆蓋接觸界面也導(dǎo)致該微動(dòng)幅值下摩擦系數(shù)具有最大值。

圖6 不同微動(dòng)幅值下Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件的表面磨損形貌(N=200 000)Fig.6 Wear surface morphologies of Ti-6Al-4V alloy test pieces under different displacement amplitudes

為了更好地研究微動(dòng)磨損行為，對(duì)微動(dòng)幅值為100 μm時(shí)，Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件的剖面形貌進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖中可以看出，微動(dòng)磨損機(jī)制為逐層剝落，最外層為約10 μm的松散氧化層，次外層為發(fā)生開(kāi)裂的鈦合金。利用EDS分析了鈦合金不同區(qū)域的元素成分，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，最外層氧含量最高，發(fā)生了嚴(yán)重氧化。此外，還形成了含氮化合物。

圖7 微動(dòng)幅值為100 μm時(shí)Ti-6Al-4V合金試驗(yàn)件的剖面形貌Fig.7 Wear profile morphology of Ti-6Al-4V alloy test piece under 100 μm displacement amplitude

區(qū)域ONAlTiVa41.374.713.1450.78-b3.021.666.5085.613.21c1.43-7.0588.293.23d--6.0690.693.26e35.892.914.8254.571.81

3 結(jié) 論

(1)隨著微動(dòng)幅值的增大，微動(dòng)摩擦系數(shù)迅速增大，而后緩慢下降并趨于平穩(wěn)。當(dāng)微動(dòng)幅值為100 μm時(shí)，微動(dòng)摩擦系數(shù)最大，此時(shí)微動(dòng)狀態(tài)處于轉(zhuǎn)變區(qū)。

(2)不同微動(dòng)幅值下，摩擦系數(shù)的演化不一致。

當(dāng)微動(dòng)幅值較小(≤20 μm)時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)緩慢下降；當(dāng)微動(dòng)幅值增大到50 μm時(shí)，摩擦系數(shù)基本保持穩(wěn)定；當(dāng)微動(dòng)幅值進(jìn)一步增大時(shí)(≥100 μm)，摩擦系數(shù)增大。摩擦系數(shù)的演變與微動(dòng)模式有關(guān)。

(3)微動(dòng)幅值的不同會(huì)導(dǎo)致表面形貌的差異，隨著微動(dòng)幅值的增大，磨屑顆粒逐漸減小，同時(shí)形狀從塊狀逐漸向球形轉(zhuǎn)變。隨著微動(dòng)幅值的進(jìn)一步增大，球形顆粒又因摩擦熱而粘結(jié)成膜狀結(jié)構(gòu)，膜狀結(jié)構(gòu)的形成提高了微動(dòng)摩擦系數(shù)。另外，當(dāng)微動(dòng)幅值較大時(shí)，鈦合金表面氧化嚴(yán)重，并伴隨有氮化物形成。

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Effect of Fretting Amplitude on Friction Properties of Ti-6Al-4V Alloy

Guo Wei1, Li Jian2, Huang Shumei1, Wang Yunfeng1, He Lei1

(1. Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China) (2. Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Fretting wear can accelerate the crack initiation and propagation of titanium alloy, and even lead to the failure of components. In order to reflect the friction characteristics of titanium alloy in the finite element modeling process more accurately, and to simulate the fretting wear behavior better, an experimental investigation was conducted to determine the effect of displacement amplitude on fretting tribological behavior of Ti-6Al-4V alloy with flat/ball configuration, and the reciprocating amplitudes were varied between 10 μm and 300 μm. The fretting coefficients of friction (COF)were obtained, the fretting scars and surface morphologies were characterized, and the chemical compositions at different depths of the contact interface were also investigated. The results show that the maximum of COF appears at 100 μm and evolutions of friction coefficient are not consistent under various fretting amplitudes. The evolution of COF is related to fretting modes. Fretting amplitude will also lead to the differences in surface morphology, with the increasing of fretting amplitude, the grinding particles decrease gradually, and the shape also gradually changes from bulk to spherical. In addition, when fretting amplitude is large, the surface of titanium alloy oxidizes seriously, accompanied by the formation of nitride.

Ti-6Al-4V alloy;fretting wear; fretting friction coefficient; fretting amplitude; surface roughness

2016-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275410)

李健(1985—)，男，博士研究生。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)05-0016-05