宋 偉, 李萬佳, 俞樹榮, 馬榮榮

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

兩個近似緊密配合的摩擦接觸表面間發(fā)生微小幅值(幅值為微米量級)的相對滑動稱為微動[1]，微動不僅促使構(gòu)件接觸表面發(fā)生持續(xù)磨損，導(dǎo)致在精度較高的配合中產(chǎn)生松動，功率損失嚴重，而且微動加速疲勞裂紋的萌生和擴展，成為降低構(gòu)件使用壽命的關(guān)鍵[2]，基于微動磨損的隱蔽性、持續(xù)性以及復(fù)雜性，研究微動摩擦學(xué)性能可以在極大程度上緩解微動磨損帶來的負面影響[3-4].

鈦及其合金材料具有比強度高，塑性好，適用溫度范圍寬和良好的耐蝕特性成為航空航天科學(xué)發(fā)展的首選材料[5-6]，如航空壓氣機輪盤，葉片以及蒙皮材料.丁紅燕等[7-9]研究了水介質(zhì)中TC11合金微動磨損特性，發(fā)現(xiàn)微動接觸區(qū)域會產(chǎn)生一層具有潤滑特性的水膜降低了摩擦系數(shù)，在小位移幅值作用時磨損以磨粒磨損和疲勞脫層為主，大位移幅值時為磨粒磨損.俞樹榮等[10]研究了不同環(huán)境介質(zhì)以及不同摩擦配副對TC4合金的微動磨損特性，結(jié)果表明,運行過程中純水只具有潤滑作用而在模擬海水中腐蝕和磨損共同作用.程效銳等[11]研究了固相顆粒粒徑對葉輪葉片的碰撞磨損和摩擦磨損，發(fā)現(xiàn)隨粒徑的增大，葉片背面和工作面磨損程度也逐漸增大.鈦材由于自身耐摩擦性能較差，緊密配合的兩構(gòu)件中微動磨損成為鈦合金在其使用領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的短板，設(shè)備在磨損顆粒的污染下加劇失效，這被認為是工業(yè)中的癌癥[1].

混合滑移狀態(tài)下摩擦接觸區(qū)以相對滑動伴隨塑性變形為主，摩擦力隨著位移幅值和時間的變化關(guān)系相對復(fù)雜，F(xiàn)t-D-N曲線表征為橢圓狀[1].該區(qū)域是微動磨損行為最為嚴重的階段，微裂紋在接觸邊緣萌生朝著微動方向和垂直微動方向發(fā)展，且在改變法向載荷的過程中混合區(qū)表現(xiàn)出的裂紋深度最大[12].飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件在使用溫度一般不超過350 ℃且部分結(jié)構(gòu)件在水介質(zhì)中工作[13-14]，因此,本文對航空航天中使用最廣泛的TC4合金分別在常溫空氣、常溫純水和300 ℃高溫大氣三種介質(zhì)中部分滑移狀態(tài)下的微動摩擦磨損行為和磨損特性進行研究.

1 實驗

利用德國Optimol油脂公司設(shè)計的SRV-IV微動摩擦磨損試驗機完成TC4合金微動磨損實驗，微動摩擦磨損試驗機工作結(jié)構(gòu)如圖1a所示，微動采用球/平面接觸的切向微動運行方式如圖1b所示.上試樣采用Ra≤0.02 μm的GCr15小鋼球(Φ=10 mm、硬度6 800 MPa)；下試樣由α+β雙相TC4鈦合金板材制備(硬度3 000 MPa)，冷切割制備Φ=24 mm×8 mm的圓柱型TC4試樣，使用不同目數(shù)的SiC金相砂紙打磨待摩表面，使用粒度為0.04 μm的SiO2拋光液將打磨好的摩擦面機械拋光至Ra=0.03～0.04 μm的鏡面，將拋光好的試樣置于無水乙醇和丙酮溶液中進行超聲清洗，除去摩擦面氧化膜、油脂等一些污染雜質(zhì)顆粒，干燥備用.表1為TC4合金與GCr15鋼球化學(xué)成分.

前期對TC4合金的微動磨損研究表明，在50 N、100 μm的TC4合金微動磨損中接觸區(qū)域進入混合滑移區(qū)[15-16].本文設(shè)定TC4合金微動磨損試驗分別在25℃空氣、常溫純水和300℃大氣環(huán)境中進行，法向載荷為50 N，位移幅值100 μm，頻率50 Hz，微動循環(huán)45 000次；實驗前使用腐蝕液對TC4合金待摩擦表面擦拭，腐蝕20 s，使用丙酮溶液和無水乙醇清洗后干燥備用，TC4合金表面微觀形貌如圖2所示；實驗安裝前將待摩擦試樣用無水乙醇棉球擦拭以保證待摩面干凈；實驗完成后使用無水乙醇超聲清洗已摩擦好的試樣.使用QUATNTA FEG450場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察磨損斑內(nèi)微觀形貌，并用能譜儀分析磨坑表面元素構(gòu)成；使用OLYMPUS OLS 5000 3D激光顯微鏡測量微動斑磨損體積和磨痕輪廓；采用D8 DISCOVER高分辨X射線衍射儀(2.2 kW、Cu靶)對微動磨坑進行物相檢索分析.

圖2 TC4合金微觀組織形貌

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 摩擦系數(shù)分析

圖3為TC4合金在混合滑移狀態(tài)(D=100 μm、Fn=50 N)下不同介質(zhì)中的摩擦系數(shù)隨著微動循環(huán)時間的變化曲線，由圖可見摩擦系數(shù)變化曲線可以大致分為三個階段，初始階段表現(xiàn)為快速上升階段，中期劇烈波動階段以及后期的穩(wěn)定變化階段.在初始階段，TC4合金表層組織被氧化膜和雜質(zhì)顆粒包覆，磨損過程中摩擦力較小，數(shù)百次循環(huán)后，合金表面包覆層破碎，裸露的基體金屬和GCr15小鋼球組成對磨副，原本坑洼不平的基體金屬在摩擦過程中摩擦力較大，引起摩擦系數(shù)的驟增，直至上升到最大值，接觸區(qū)域二體作用增強.波動階段，摩擦力突然下降，摩擦系數(shù)在極大值處開始驟減，意味著微動經(jīng)歷了第一個由粘著型向滑移型轉(zhuǎn)變，摩擦系數(shù)的每一次降低標志著接觸表面局部地區(qū)的粘著點突然斷裂并伴隨著材料的轉(zhuǎn)移.穩(wěn)定階段，重復(fù)的粘著-粘著斷裂的微動循環(huán)過程中，摩擦系數(shù)進入小幅波動的狀態(tài)，斷裂形成的磨屑在反復(fù)的干摩擦過程中碾碎-氧化壓實形成致密的第三體層，磨損接觸區(qū)域開始由二體作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿w作用，摩擦系數(shù)進入相對穩(wěn)定階段.

干摩條件下，TC4合金在300 ℃時摩擦系數(shù)的平緩程度及其值均小于25 ℃時的摩擦系數(shù)，混合滑移時邊緣微滑中心粘著狀態(tài)不利于磨屑溢出微動接觸區(qū)；這是由于常溫實驗過程中磨粒僅在摩擦熱的作用下無法快速氧化、碾碎形成第三體，在切向力的作用下加速犁削接觸表面引起摩擦系數(shù)波動程度及其值的增大，而300 ℃微動磨損過程中高溫以及摩擦熱加速氧化、碾碎過程，在法向載荷的作用下壓實形成氧化膜(第三體)，摩擦面形成具有阻隔作用的第三體層，氧化膜和基體金屬相比抗剪切性能更好，使摩擦系數(shù)降低.與干摩擦微動過程相比，水覆介質(zhì)(25 ℃純水)中摩擦系數(shù)波動程度明顯更小，因為在水介質(zhì)中，接觸區(qū)域容易形成具有潤滑作用的水膜減緩了粘著效應(yīng)，促使磨粒磨損發(fā)生，同時在水介質(zhì)中磨屑顆粒更容易溢出接觸區(qū)域，減緩磨屑顆粒對基體金屬的二次犁削，接觸區(qū)域始終保持平整，有利于降低摩擦系數(shù).

圖3中三維曲線為TC4合金在微動即將進入穩(wěn)定階段(圖3中虛線部分)時三種試驗工況下的Ft-D-N曲線，可見,微動曲線呈現(xiàn)橢圓形，說明微動試驗控制在混合滑移狀態(tài)，意味著摩擦區(qū)域進入三體接觸狀態(tài)，但是存在二體作用，摩擦表面通常會有較強烈的塑性變形以及可能伴有裂紋的萌生和擴展.

圖3 TC4合金在不同介質(zhì)中混合滑移運行下摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線

2.2 磨損特性及宏觀結(jié)構(gòu)分析

磨損體積和磨損率是TC4合金耐磨性能探究過程中最直觀的衡量指標，磨損體積V由OLYMPUS OLS 5000 3D激光顯微鏡直接測得，磨損率由下式計算:

(1)

式中：K為磨損率,μm3/(N·μm);V為磨損體積；N為循環(huán)次數(shù)；D為位移幅值,μm；F為法向載荷,N.

圖4為TC4合金在三種運行工況下的磨損體積直方圖和磨損率隨著實驗介質(zhì)的變化曲線圖，發(fā)現(xiàn)三種實驗環(huán)境下，常溫環(huán)境下磨損體積和磨損率最大，高溫狀態(tài)中的TC4合金磨損體積和磨損率最小，水覆介質(zhì)中介于兩者之間.

圖4 環(huán)境介質(zhì)對TC4合金微動摩擦磨損性能影響Fig.4 Effect of environmental medium on fretting friction and wear properties of TC4 alloy

在25 ℃空氣環(huán)境和300 ℃高溫兩種實驗介質(zhì)中的微動磨損行為是無潤滑作用的干摩擦，粘著斷裂后形成的磨屑顆粒在接觸中心滯留時間長，磨屑顆粒在接觸副之間反復(fù)碾壓形成細小的粒子，在法向載荷的作用下還未溢出微動坑就被壓實在接觸區(qū)域形成致密的氧化層(第三體層)，第三體層阻隔了兩對偶接觸表面的直接接觸，二體作用減弱，三體作用增強.常溫實驗環(huán)境中，摩擦熱不足以將微動產(chǎn)生的磨屑顆?？焖傺趸?，覆蓋在接觸區(qū)域，在法向載荷的作用下二次犁削基體金屬，造成基體金屬磨損嚴重，磨損體積和磨損率升高.反觀300 ℃介質(zhì)中的TC4合金微動磨損過程，高溫和摩擦熱加劇了磨粒的氧化速度，加速了第三體層的形成，第三體層的阻隔和減摩作用保護了基體金屬，降低了磨損體積和磨損率，說明TC4合金具有高溫耐磨特性.在水覆介質(zhì)中，水溶液包覆的微動接觸區(qū)域可以在接觸表面形成具有減摩和潤滑作用的水膜，能夠有效減緩對摩副之間的粘著作用，使磨粒在潤滑作用下加速溢出微動坑，避免了磨粒對基體金屬的二次犁削，從而保護了基體金屬，使摩擦系數(shù)降低.

圖5為TC4合金在三種實驗工況下的三維磨損形貌和二維輪廓曲線，可見,三種運行工況下,微動磨損過程磨痕輪廓清晰、完整；從二維輪廓曲線來看，在干摩時，磨痕呈現(xiàn)“W”形，水覆介質(zhì)中大致為“U”形，說明不同環(huán)境介質(zhì)對TC4合金的微動磨損特性有較大的影響；干摩擦下，邊緣微滑、中間粘著的摩擦特性促使磨屑在邊緣堆積，中間壓實，形成“W”形的磨損形貌，磨痕中間具有明顯的壓實區(qū)域；水覆介質(zhì)中磨粒容易溢出接觸區(qū)，在接觸邊緣堆積較少，接觸中心未能壓實形成第三體，形成“U”形摩擦輪廓.從磨損深度來看，高溫和摩擦熱加速了第三體的形成和沿厚度方向的壓實速度，在阻隔作用和小剪切應(yīng)力的作用下，磨損在厚度方向的磨損微弱，

圖5 TC4合金在不同環(huán)境中微動磨損三維和輪廓截面形貌

磨痕深度較淺；而對于有潤滑的摩擦，水膜減緩了切應(yīng)力的作用，起到減摩和潤滑作用，相對同級別的干摩擦,磨痕較淺.

2.3 磨損形貌和機制分析

混合滑移狀態(tài)下TC4合金在不同介質(zhì)中與GCr15對磨，其磨痕表面形貌如圖6所示，由圖可見,干摩擦?xí)r，摩擦接觸區(qū)均有沿厚度方向的黑色壓實區(qū)，溫度越高，黑色壓實區(qū)越明顯，且從圖中可以發(fā)現(xiàn)黑色壓實區(qū)集中出現(xiàn)在磨痕中心，而在邊緣區(qū)表現(xiàn)并不明顯，甚至在常溫微動過程中幾乎沒有，如圖6b、6f所示.常溫環(huán)境中，微動所產(chǎn)生的摩擦熱不足以使磨屑顆粒氧化，在反復(fù)的循環(huán)中磨屑顆粒堆積散布在摩擦接觸表面，如圖6a所示；相對于干摩擦而言，在水覆環(huán)境中的磨痕表面磨屑散布較少，這可能是因為磨屑顆粒混合在水溶液中，無法附著在摩擦面上，在切向力和水的潤滑作用下溢出接觸區(qū)，只有少數(shù)顆粒堆積在接觸區(qū)域如圖6c所示.三種介質(zhì)的微動性能實驗中，摩擦表面均可發(fā)現(xiàn)有粘著斷裂形成的深淺不一的剝落坑，如圖6a、6c、6e所示.干摩擦條件下，在上試樣的反復(fù)擠壓作用下，接觸區(qū)發(fā)生嚴重的塑性變形，在切向力的作用下合金內(nèi)部長期處于拉壓應(yīng)力交替狀態(tài)，材料表面以及亞表面萌生疲勞裂紋，在持續(xù)的微動過程中，表面裂紋和亞表面裂紋交匯造成片層狀磨屑脫落，如圖6a、6e所示；說明干摩擦?xí)r，混合滑移狀態(tài)下TC4合金的微動磨損主要以粘著磨損和氧化磨損為主.在水覆介質(zhì)中，接觸區(qū)表面可以觀察到明顯的沿微動方向的犁削痕跡，如圖6d所示，因為粘著斷裂形成的磨粒在水的作用下無法附著在摩擦表面，在切向力的作用下隨著微動運行的方向在摩擦接觸區(qū)域犁削下層金屬從而形成沿著微動方向深淺不一，長度不一致的犁溝，說明在水潤滑的條件下TC4合金在混合區(qū)的磨損特性為磨粒磨損.

圖6 不同環(huán)境介質(zhì)作用下TC4合金在混合滑移狀態(tài)下微動磨損形貌

圖7為GCr15鋼球在三種環(huán)境介質(zhì)中混合滑移狀態(tài)下的摩擦接觸區(qū)SEM磨損形貌，可見,在25 ℃空氣環(huán)境下,GCr15鋼球接觸區(qū)域有明顯的中心粘著、邊緣微滑的磨損特性，如圖7a所示.水覆環(huán)境和300 ℃環(huán)境中GCr15鋼球接觸區(qū)域幾乎沒有發(fā)生磨損，如圖7b、7c所示，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是在純水環(huán)境中，微動接觸區(qū)域分布有一層具有減摩和潤滑作用的水膜，正是這層水膜的存在讓原本中心的粘著區(qū)出現(xiàn)微滑，粘著現(xiàn)象明顯減弱，在硬對軟近似滑動接觸中，硬質(zhì)材料磨損輕微甚至可以認為幾乎沒有發(fā)生磨損.而300 ℃的微動磨損中接觸區(qū)域布滿黑色壓實區(qū)，對黑色壓實區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)這是磨屑氧化-碾碎-再氧化-壓實的氧化物生成壓實區(qū)，發(fā)現(xiàn)具有比基體金屬硬度高，表面摩擦阻力小的特性，黑色壓實層可以作為固體潤滑劑鋪滿摩擦接觸區(qū)域，降低了磨損循環(huán)過程中的切應(yīng)力，同時減緩了磨損接觸區(qū)域的粘著特性，從而使GCr15表面在微動過程中幾乎沒有磨損.

圖7 不同環(huán)境介質(zhì)作用下GCr15鋼球在混合滑移狀態(tài)下微動磨損形貌

2.4 微觀磨損機理分析

圖8a、8b是環(huán)境溫度為25 ℃時，TC4合金在空氣環(huán)境和純水環(huán)境中的微動磨損過程中磨面成分及結(jié)構(gòu)，顯示Ti均為α-Ti，由于常溫環(huán)境中微動產(chǎn)生的摩擦熱不易使TC4合金發(fā)生氧化，粘著斷裂顆粒充當滾珠，犁削表面基體金屬，微動磨損坑較深.對磨損區(qū)域進行EDS能譜分析后與表1中TC4合金的化學(xué)成分對比發(fā)現(xiàn)，微動磨損坑內(nèi)Fe元素與Cr元素含量明顯高于未磨損區(qū)金屬，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是GCr15化學(xué)組成Fe以及Cr含量較高，在磨損坑內(nèi)發(fā)現(xiàn)磨損表面Fe、Cr元素含量上升的源頭來自對摩副GCr15鋼球，說明TC4合金在混合區(qū)的微動磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p導(dǎo)致對磨副之間發(fā)生了材料的轉(zhuǎn)移，在水覆環(huán)境中水的潤滑作用促進摩擦副之間的相對滑動，加速粘著斷裂.

圖8c為300 ℃空氣中TC4合金磨面成分及結(jié)構(gòu)，相較于常溫微動磨損，300 ℃微動磨損后表面除了α-Ti以外，還出現(xiàn)Ti的氧化物和Fe的氧化物，氧化物的衍射峰強度明顯優(yōu)于基體金屬α-Ti.高溫加速了TC4合金的氧化，摩擦接觸副之間溫度越高，氧化反應(yīng)越劇烈，氧化程度越大，接觸表面覆蓋的氧化壓實層越厚，接觸表面被Fe2O3和TiO2氧化物包覆阻礙了基體金屬的直接接觸，同時氧化層可以作為固體潤滑層降低接觸區(qū)域切應(yīng)力的作用，有助于降低TC4合金的磨損.EDS能譜分析發(fā)現(xiàn)磨痕接觸區(qū)Ti、Fe元素含量明顯高于表1中給出的TC4合金成分組成，Ti、Fe元素升高的原因是微動保持在混合滑移過程中進行，中心粘著、邊緣微滑的特點誘發(fā)中心粘著斷裂，粘著斷裂-氧化-壓實-新粘著的形成誘導(dǎo)對摩小球材料向著基體金屬過渡，使微動磨損接觸區(qū)域Fe和Cr元素含量明顯高于基體金屬.高溫加劇空氣中的O元素侵入摩擦表面與基體組織結(jié)合形成氧化物保護層，主要是Ti和Fe元素與O元素的結(jié)合形成致密的氧化物包覆層.綜上，任一環(huán)境介質(zhì)下，中間粘著、邊緣微滑的微動摩擦特性促進了粘著斷裂和材料轉(zhuǎn)移，使得GCr15材料向摩擦接觸表面轉(zhuǎn)移導(dǎo)致微動坑化學(xué)元素含量明顯高于未摩擦區(qū)的基體金屬.

圖8 不同介質(zhì)作用下TC4合金磨損表面成分及結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

1) 混合滑移狀態(tài)下，GCr15/TC4合金配副的摩擦系數(shù)可以分為快速上升階段、粘著磨損階段以及穩(wěn)定階段；橢圓狀的Ft-D-N曲線的出現(xiàn)標志二體作用逐漸向三體作用過渡.

2) 干摩擦試驗工況下，25 ℃空氣實驗中摩擦系數(shù)較大，磨損體積大，微動磨損產(chǎn)生的摩擦熱不足以形成大面積的氧化物壓實層，磨損機制為粘著磨損和輕微的氧化磨損.

3) 300 ℃空氣實驗中，摩擦系數(shù)較低，磨損體積小，高溫促進TC4合金表面的氧化反應(yīng)，沿厚度方向的黑色壓實層和壓實層的連續(xù)性都明顯大于25 ℃空氣中的實驗，揭示TC4合金具有高溫耐磨性，磨損機制主要為粘著磨損和氧化磨損.

4) 水覆介質(zhì)中，水潤滑和冷卻作用下，抑制了混合區(qū)的粘著作用，減緩了摩擦系數(shù)，水介質(zhì)有利于磨粒磨損發(fā)生和磨粒溢出接觸區(qū)域，對基體金屬的犁削輕微，磨損體積和磨損率較同級別干摩擦?xí)r低，磨損機制為磨粒磨損.