應(yīng) 揚(yáng)， 杜 宇， 李 婷， 屈 磊， 李思蘭， 毛成亮

（西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016）

鈦合金屬于較輕的一類(lèi)金屬，密度僅有鋼鐵的一半左右，但其強(qiáng)度足以與鋼媲美，擁有非常高的比強(qiáng)度。除此之外，鈦及其合金還有著優(yōu)異的耐蝕性能、生物相容性、低溫性能等一系列特性。因此，鈦及鈦合金雖然自工業(yè)使用僅有幾十年的歷史，卻迅速在航空航天、海洋艦船、生物醫(yī)用等領(lǐng)域取得了十分廣泛的應(yīng)用[1-4]。然而，由于鈦合金低的塑性剪切抗力、微弱的加工硬化能力以及表面氧化膜低的保護(hù)作用[5-8]，當(dāng)被使用于摩擦工況下時(shí)，其表面很容易發(fā)生摩擦損傷而失效。這一性能短板限制了鈦及其合金在摩擦工況下的使用。

TC29鈦合金是西北有色金屬研究院自主研制的一種低成本鈦合金，具有比航空結(jié)構(gòu)用TC11鈦合金更加優(yōu)異的綜合性能，然而，其摩擦磨損性能依然未能明顯改善[9]。本研究旨在通過(guò)對(duì)比TC29鈦合金在TC29鈦合金和GCr15鋼兩種摩擦配副及不同的摩擦參數(shù)下的磨損行為，研究TC29鈦合金的摩擦磨損性能，為改善鈦合金的摩擦磨損性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在MMG-500型銷(xiāo)盤(pán)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖1所示。將TC29鈦合金加工成5 mm×5 mm×15 mm的銷(xiāo)試樣，摩擦配副為Φ44 mm×8 mm的GCr15鋼磨盤(pán)及TC29鈦合金磨盤(pán)。實(shí)驗(yàn)所用GCr15鋼為淬火回火態(tài)，表面洛氏硬度為53；TC29鈦合金為固溶時(shí)效態(tài)，表面洛氏硬度為36。

圖1 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction and wear test

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將銷(xiāo)試樣及對(duì)磨盤(pán)分別用200#、500#和1000#的SiC砂紙磨平，并使用丙酮進(jìn)行清洗，烘干，測(cè)量并記錄待測(cè)銷(xiāo)試樣質(zhì)量。然后將銷(xiāo)試樣和對(duì)磨盤(pán)安裝在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)銷(xiāo)試樣進(jìn)行清洗、稱重。前后質(zhì)量之差記為該試樣的磨損質(zhì)量損失，以此來(lái)表征材料的摩擦磨損性能。調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，各組實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Friction and wear test parameters

2 結(jié)果討論

將TC29鈦合金銷(xiāo)試樣分別與GCr15鋼和TC29鈦進(jìn)行對(duì)磨，改變摩擦磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)得到4組鈦合金磨損質(zhì)量損失數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2所示。利用實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄的摩擦因數(shù)原始數(shù)據(jù)繪制成圖3。從圖2和圖3可以看出：相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，TC29鈦合金在與GCr15鋼磨盤(pán)對(duì)磨時(shí)的磨損質(zhì)量損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其與TC29鈦合金磨盤(pán)對(duì)磨時(shí)的磨損質(zhì)量損失，而兩種摩擦配副下的平均摩擦因數(shù)基本相當(dāng)，但TC29鈦合金/GCr15鋼摩擦配副下的摩擦因數(shù)變化更加平穩(wěn)；在兩種摩擦配副條件下，TC29鈦合金銷(xiāo)試樣的磨損質(zhì)量損失均隨著加載載荷和摩擦轉(zhuǎn)速的增大而顯著增加。

圖2 TC29鈦合金的磨損質(zhì)量損失Fig.2 Weight losses of TC29 titanium alloy

圖3 不同摩擦配副下的平均摩擦因數(shù)Fig.3 Average friction coefficients under different friction pairs

2.1 摩擦配副對(duì)TC29鈦合金摩擦磨損性能的影響

從圖2的結(jié)果來(lái)看，TC29鈦合金的磨損質(zhì)量損失受到摩擦配副的顯著影響：在相同的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)條件下，TC29鈦合金銷(xiāo)試樣與GCr15鋼對(duì)磨時(shí)的磨損質(zhì)量損失大大高于其與TC29鈦合金對(duì)磨時(shí)的磨損質(zhì)量損失。這說(shuō)明TC29鈦合金銷(xiāo)試樣與GCr15鋼對(duì)磨時(shí)的磨損劇烈程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其與TC29鈦合金對(duì)磨時(shí)的磨損劇烈程度。

圖4是TC29鈦合金銷(xiāo)試樣分別與GCr15鋼和TC29鈦合金磨盤(pán)對(duì)磨后的磨損形貌圖。通過(guò)對(duì)比兩者的磨痕形貌可以看出：在TC29合金與GCr15鋼磨盤(pán)和TC29鈦合金磨盤(pán)的摩擦系統(tǒng)中，磨損損傷形式均包含犁溝痕跡、表層剝落、黏著痕跡；與TC29鈦合金磨盤(pán)對(duì)磨后的TC29鈦合金銷(xiāo)試樣表面損傷程度較輕，犁溝痕跡較淺，表層材料撕裂剝落的情況也輕微，因此磨損質(zhì)量損失也較小；而與GCr15鋼磨盤(pán)對(duì)磨的TC29鈦合金銷(xiāo)試樣表面磨損損傷更加嚴(yán)重，表面存在更深的切削犁溝，摩擦面表層材料撕裂剝落的現(xiàn)象也更加嚴(yán)重，有比較多的材料從TC29鈦合金銷(xiāo)試樣表面磨損去除，致使TC29鈦合金試樣在與GCr15鋼磨盤(pán)對(duì)磨時(shí)的磨損質(zhì)量損失更大?？梢?jiàn)，在TC29鈦合金/GCr15鋼對(duì)磨系統(tǒng)中TC29鈦合金發(fā)生劇烈磨損，而在TC29鈦合金/TC29鈦合金對(duì)磨系統(tǒng)中只出現(xiàn)輕微磨損。

圖4 不同摩擦配副下TC29鈦合金銷(xiāo)試樣典型磨損形貌Fig.4 Typical wear morphologies of TC29 titanium alloy pin specimens under different friction pairs

TC29鈦合金銷(xiāo)試樣的摩擦磨損性能表現(xiàn)與摩擦配副材料的性質(zhì)有緊密的聯(lián)系。根據(jù)干摩擦磨損相關(guān)理論[10-11]，摩擦配副表面硬度相差較大時(shí)，磨損機(jī)制以犁削為主，而當(dāng)摩擦配副表面性質(zhì)接近、潤(rùn)滑較差的情況下其磨損機(jī)制表現(xiàn)為以黏著磨損為主。對(duì)TC29鈦合金/GCr15鋼來(lái)說(shuō)，由于GCr15鋼的硬度較高，與TC29鈦合金銷(xiāo)試樣硬度相差較大，在載荷的作用下，GCr15鋼磨盤(pán)表層的一些硬質(zhì)凸起和顆粒會(huì)壓入較軟的TC29鈦合金銷(xiāo)試樣表面一定深度，在隨后的摩擦過(guò)程中，對(duì)TC29鈦合金表面造成犁削損傷，表現(xiàn)為T(mén)C29鈦合金銷(xiāo)試樣表面出現(xiàn)具有一定深度的犁溝痕跡，同時(shí)犁溝之間的材料發(fā)生塑性變形凸起堆積，在后續(xù)的滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，這些堆積起來(lái)的材料又被壓平，反復(fù)多次后，材料表層萌生疲勞裂紋（如圖5所示），隨著摩擦過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，裂紋沿平行表面方向擴(kuò)展，達(dá)到一定長(zhǎng)度后在黏著力和機(jī)械力的共同作用下以片狀磨屑方式從試樣上剝落[12]，從而對(duì)TC29鈦合金造成嚴(yán)重的摩擦損傷。磨損機(jī)制表現(xiàn)為以磨粒磨損和剝層磨損為主，并伴隨有少量的黏著磨損。對(duì)于TC29鈦合金/TC29鈦合金來(lái)說(shuō)，TC29鈦合金磨盤(pán)試樣與TC29鈦合金銷(xiāo)試樣屬同種材質(zhì)，表面性質(zhì)相同，且TC29鈦合金表面易發(fā)生塑性變形，兩接觸面間易產(chǎn)生材料黏附，而銷(xiāo)盤(pán)材料硬度一致，在兩者滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，對(duì)銷(xiāo)試樣造成的犁削作用輕微，表層犁溝較淺，銷(xiāo)試樣的摩擦損傷方式主要為材料黏附力下的表層材料去除，對(duì)材料造成的摩擦損傷小，相應(yīng)的磨損機(jī)制以黏著磨損為主，伴隨有輕微的磨粒磨損和剝層磨損。

圖5 材料表層萌生的微裂紋Fig.5 Micro-cracks initiating on the surface of material

對(duì)比不同摩擦配副下TC29鈦合金的摩擦因數(shù)可以看出：相同的實(shí)驗(yàn)條件下兩種摩擦配副下其平均摩擦因數(shù)基本相當(dāng)，但摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律卻不盡相同，TC29鈦合金/GCr15鋼相互摩擦?xí)rTC29鈦合金的摩擦因數(shù)變化平穩(wěn)，TC29鈦合金/TC29鈦合金相互摩擦?xí)rTC29鈦合金的摩擦因數(shù)曲線呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)。這是由于TC29鈦合金/GCr15鋼對(duì)磨系統(tǒng)中兩種材料的硬度相差較大，對(duì)于材料硬度分布不均不太敏感，摩擦過(guò)程比較穩(wěn)定，而TC29鈦合金/TC29鈦合金對(duì)磨系統(tǒng)中銷(xiāo)試樣和盤(pán)試樣硬度相當(dāng)，因此當(dāng)摩擦配副中出現(xiàn)硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)，容易引起摩擦因數(shù)的較大波動(dòng)。

2.2 摩擦參數(shù)對(duì)TC29鈦合金摩擦磨損性能的影響

從圖2可以看出：對(duì)于確定的摩擦配副而言，當(dāng)載荷不變，轉(zhuǎn)速增加時(shí)，TC29鈦合金的磨損質(zhì)量損失在2種摩擦配副的條件下均隨載荷的增加明顯增加；當(dāng)轉(zhuǎn)速不變，載荷增加時(shí)，TC29鈦合金磨損質(zhì)量損失也隨之增加；當(dāng)摩擦轉(zhuǎn)速和載荷均增加時(shí)，TC29鈦合金的磨損質(zhì)量損失成倍增加。其他參數(shù)不變時(shí)，對(duì)磨轉(zhuǎn)速增加相當(dāng)于對(duì)磨時(shí)的磨程增加，磨損損傷是一種累加損傷，在磨程增加的情況下，磨損量隨之上升；當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，載荷增加相當(dāng)于加深了配副材料在摩擦?xí)r表層硬質(zhì)點(diǎn)壓入對(duì)方材料的深度，導(dǎo)致在隨后的相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中，TC29鈦合金材料的表層犁削程度加深，同時(shí)，犁溝加深引起試樣表層更多的塑性堆積及裂紋形成，并最終造成剝層磨損的加重，因此，磨損質(zhì)量損失顯著增加。

兩種摩擦配副下TC29鈦合金的摩擦因數(shù)均隨載荷的增加出現(xiàn)比較明顯的減小，而轉(zhuǎn)速對(duì)其摩擦因數(shù)的影響較小。這是因?yàn)槟Σ僚涓钡谋砻嫱ǔＬ幱趶椝苄越佑|狀態(tài)，實(shí)際的摩擦接觸面積與載荷不成比例關(guān)系，摩擦因數(shù)會(huì)隨著載荷的增大而減小。對(duì)于轉(zhuǎn)速而言，當(dāng)其不足以引起摩擦表面層性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)磨轉(zhuǎn)速幾乎不會(huì)引起摩擦因數(shù)的變化[13]。

對(duì)比兩種摩擦配副系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)2、3下的磨損質(zhì)量損失可以看出，當(dāng)使用TC29鈦合金銷(xiāo)試樣與GCr15鋼對(duì)磨時(shí)，增加載荷帶來(lái)的磨損損傷比增加轉(zhuǎn)速的更為嚴(yán)重，而使用TC29鈦合金銷(xiāo)試樣與TC29鈦合金磨盤(pán)對(duì)磨時(shí)，增加轉(zhuǎn)速帶來(lái)的磨損損傷比增加載荷的嚴(yán)重。如前所述，當(dāng)TC29鈦合金與GCr15鋼對(duì)磨時(shí)，主要磨損機(jī)制為磨粒磨損，這種情況下載荷的增加加大了GCr15鋼磨盤(pán)表面硬質(zhì)顆粒和凸起對(duì)TC29鈦合金銷(xiāo)試樣的壓入深度，因此，載荷的增加對(duì)以表層犁削為主要磨損方式的TC29鈦合金/GCr15鋼摩擦配副的磨損有更大的促進(jìn)作用。而對(duì)TC29鈦合金/TC29鈦合金摩擦系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其磨損機(jī)制以黏著磨損為主，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，材料黏附作用更加顯著，同時(shí)摩擦?xí)r產(chǎn)生了更多的熱量，也促進(jìn)了摩擦配副之間的黏著磨損，因此，對(duì)于TC29鈦合金/TC29鈦合金摩擦配副而言，轉(zhuǎn)速的增加比載荷增加對(duì)磨損的影響效果更加顯著。

以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：針對(duì)不同的摩擦配副情況，當(dāng)摩擦過(guò)程中的載荷和轉(zhuǎn)速增加時(shí)，都會(huì)造成材料摩擦損傷的加劇，但具體摩擦損傷的程度受摩擦配副情況以及相應(yīng)的磨損機(jī)制影響。

3 結(jié) 論

（1）TC29鈦合金在不同摩擦配副下表現(xiàn)出不同的摩擦磨損性能，在與TC29鈦合金對(duì)磨時(shí)的磨損質(zhì)量損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于與GCr15鋼對(duì)磨時(shí)的磨損質(zhì)量損失；TC29鈦合金與GCr15鋼對(duì)磨時(shí)磨損損傷嚴(yán)重，磨損機(jī)制以磨粒磨損和剝層磨損為主，與TC29鈦合金對(duì)磨時(shí)磨損輕微，磨損損傷小，磨損機(jī)制以黏著磨損為主。

（2）摩擦?xí)r的載荷和轉(zhuǎn)速對(duì)磨損質(zhì)量損失的大小有著明顯的影響，載荷和轉(zhuǎn)速的增加均會(huì)引起材料磨損程度的大幅增加。對(duì)于以磨粒磨損為主要磨損機(jī)制的摩擦系統(tǒng)，增加載荷比增加轉(zhuǎn)速帶來(lái)的摩擦磨損程度更加顯著；對(duì)于以黏著磨損為主要磨損機(jī)制的摩擦系統(tǒng)，增加轉(zhuǎn)速帶來(lái)的摩擦磨損程度更加明顯。

對(duì)于不同的摩擦配副系統(tǒng)而言，磨損機(jī)制不盡相同，與此同時(shí)，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)磨損過(guò)程產(chǎn)生的影響也隨磨損機(jī)制的不同而存在差別，實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇調(diào)整相應(yīng)指標(biāo)來(lái)達(dá)到提高或降低磨損的效果。