宋偉，李萬(wàn)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）

引 言

微動(dòng)指兩接觸表面間發(fā)生微小振幅(微米量級(jí))的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生在一個(gè)近似緊固的機(jī)械配合件的振動(dòng)工況中，造成具有隱蔽性、復(fù)雜性的損傷[1]。航空航天、海洋裝備以及化工領(lǐng)域由微動(dòng)引起的損傷成為失效的關(guān)鍵因素[2-3]，損傷表現(xiàn)為磨損、斷裂以及腐蝕，磨損是機(jī)械設(shè)備失效的關(guān)鍵因素[4-6]。鈦及其合金具有強(qiáng)度高、塑性好、耐蝕性優(yōu)良，在較寬的溫度范圍內(nèi)保持優(yōu)良的綜合力學(xué)性能等特點(diǎn)[7-8]，但鈦合金自身耐摩擦性能差，構(gòu)件接觸表面易發(fā)生微動(dòng)行為，直接導(dǎo)致構(gòu)件疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，設(shè)備的服役壽命顯著降低[9-11]，原因是磨屑顆粒污染嚴(yán)重、塑性剪切性能差、加工硬化差和表面氧化物的保護(hù)不足[12-15]。何燕妮等[16-17]研究不同溫度下TC4合金分別與GCr15、Si3N4和Al2O3配對(duì)，微動(dòng)磨損形成的摩擦氧化層對(duì)TC4 合金微動(dòng)磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)溫度為450℃時(shí)TC4 合金與三種接觸副對(duì)摩時(shí)均形成了不同厚度的氧化層，揭示了TC4 合金高溫下具有良好的抗微動(dòng)磨損特性。王蘭等[18-20]研究溫度、位移幅值以及接觸載荷對(duì)鈦合金微動(dòng)磨損，結(jié)果表明溫度對(duì)鈦合金的磨損量有影響，指出鈦合金在常溫下的磨損機(jī)理為磨粒磨損，并伴有輕微的氧化磨損和黏著磨損，溫度150℃時(shí)，磨損主要以氧化磨損為主。柏林等[21-22]通過控制微動(dòng)頻率、法向載荷以及微動(dòng)幅值研究TC21合金的磨損特性，發(fā)現(xiàn)磨粒磨損是TC21合金磨損的關(guān)鍵因素，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，剝落磨損和黏著磨損的影響越來越明顯。

航空航天領(lǐng)域應(yīng)用鈦合金高溫氧化是其失效的關(guān)鍵，高溫狀態(tài)下鈦合金摩擦磨損行為的研究極其重要[23]。以工業(yè)中應(yīng)用廣泛的α+β 雙相TC4合金作為研究對(duì)象，探究300℃和500℃時(shí)由接觸載荷引起的摩擦磨損行為，從摩擦系數(shù)、磨損體積、磨痕表面形貌以及磨屑等方面對(duì)TC4合金的微動(dòng)磨損機(jī)理進(jìn)行討論，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及其他飛行結(jié)構(gòu)件的安全性和可靠性提供理論支持，從而進(jìn)一步擴(kuò)大TC4合金的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí) 驗(yàn)

利用如圖1 所示的SRV-IV 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來完成TC4 合金摩擦性能的研究，運(yùn)行模式采用切向微動(dòng)的形式，使用球/平面接觸方式。上試樣選用表面粗糙度小于0.02 μm、直徑為Φ=10 mm 的GCr15鋼球( 硬度HV≈6800 MPa)；下試樣選用硬度HV≈3000 MPa 的圓柱形TC4 合金，如圖2(a)所示，其微觀組織SEM 形貌如圖2(b)所示；用SiC 金相水磨砂紙打磨接觸表面，將打磨好的接觸面使用粒度為0.04 μm 的SiO2拋光液拋光至表面粗糙度Ra=0.04，最后將試樣置于無(wú)水乙醇溶液中超聲清洗殘留在待磨表面的拋光液以及表面顆粒污染物，清洗完成后吹干備用，上下試樣材料的化學(xué)成分和主要力學(xué)性能如表1、表2所示。

表2 TC4合金、GCr15軸承鋼主要力學(xué)性能Table 2 Main mechanical properties of TC4 and GCr15

圖1 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of fretting wear tester

圖2 TC4合金微觀組織形貌Fig.2 Microstructure and morphology of TC4

表1 TC4合金、GCr15軸承鋼的主要化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of TC4 and GCr15

鈦材已經(jīng)成為制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵承載部件的原材料，如航空壓氣機(jī)輪盤、葉片等[24]；飛機(jī)結(jié)構(gòu)件使用的鈦合金溫度不超過350℃，發(fā)動(dòng)機(jī)使用的鈦合金溫度在450～600℃[25-26]。實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置在300℃和500℃下進(jìn)行，為保證實(shí)驗(yàn)時(shí)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，將溫度緩慢提高至實(shí)驗(yàn)所需溫度后保溫10 min，待溫度穩(wěn)定后開始實(shí)驗(yàn)，設(shè)置兩種微動(dòng)磨損試驗(yàn)條件:載荷分別為Fn=30，50，70，100 N，位移幅值控制在100 μm，頻率25 Hz，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為30 min。試樣裝夾時(shí)使用無(wú)水乙醇棉球在上下試樣表面擦拭，保證微動(dòng)接觸區(qū)清潔。待實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將試樣置于無(wú)水乙醇溶液中進(jìn)行超聲清洗，待試樣干燥后使用OLYMPUS 金相顯微鏡觀察300℃和500℃灼燒后表面金相微觀結(jié)構(gòu)，如圖2(c)、(d)所示。采用電子顯微鏡(SEM)和激光共焦顯微鏡表征磨斑形貌、磨損體積和磨坑輪廓曲線；采用D8 DISCOVER 高分辨X 射線衍射儀(2.2 kW、Cu 靶)衍射(XRD)和EDS 能譜儀對(duì)接觸表面元素和物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 摩擦系數(shù)與能量耗散分析

摩擦系數(shù)表示摩擦接觸表面磨損特性的動(dòng)態(tài)演化特性，反映磨損過程中瞬時(shí)摩擦界面微凸體接觸狀態(tài)[27]，圖3(a)～(c)為TC4 合金在同一位移幅值(D=100 μm)、溫度分別為300℃和500℃，不同接觸載荷(Fn=30，50，100 N)作用下摩擦系數(shù)隨著時(shí)間變化曲線。TC4合金的摩擦系數(shù)曲線由微動(dòng)初期的快速上升階段、中期的劇烈波動(dòng)階段、后期的穩(wěn)定階段三部分組成。起始階段，TC4合金表面包覆氧化膜、油膜等對(duì)基體金屬起到保護(hù)作用和減摩作用，摩擦系數(shù)小，但是表面氧化膜是一層較薄的致密氧化層，阻礙氧化層向基體金屬內(nèi)部延伸，受到剪切作用和擠壓變形被迅速破壞，裸露的TC4 合金表面坑洼不平，上下試樣微凸體接觸促使接觸區(qū)域局部應(yīng)力增加，二體作用被加強(qiáng)，摩擦系數(shù)迅速上升至最高點(diǎn)，摩擦系數(shù)增加到最大值后開始驟減，在剪切應(yīng)力的作用下黏著不斷被破壞，同時(shí)黏著將對(duì)摩副材料帶入接觸區(qū)域；凸點(diǎn)在接觸區(qū)交錯(cuò)分布，增加了微動(dòng)循環(huán)過程中的阻力，交錯(cuò)的微凸峰在循環(huán)阻力作用下屈服和疲勞從基體金屬剝落形成磨屑，摩擦系數(shù)曲線呈現(xiàn)鋸齒狀并逐步減小。剝落的磨屑顆粒沿微動(dòng)運(yùn)行的方向犁削接觸表面加速表面和亞表面裂紋的擴(kuò)展形成疲勞脫落，反復(fù)的剝落-氧化-碾碎-壓實(shí)的過程中，磨損顆粒與氧原子在高溫催化作用下氧化燒結(jié)形成機(jī)械混合層[28]，摩擦氧化層的物質(zhì)基礎(chǔ)是剝落和碾碎散布在微動(dòng)坑內(nèi)的磨粒[29]，磨屑顆粒在載荷的作用下被壓實(shí)堆積，接觸區(qū)域形成耐磨性較好的第三體，降低接觸表面間的切應(yīng)力，摩擦系數(shù)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段。

圖3 TC4合金在300℃和500℃下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化和平均摩擦系數(shù)隨著載荷的變化Fig.3 Changes of coefficient friction with time and changes of average friction coefficient with load of TC4 alloy at 300℃and 500℃

圖3(d)為TC4 合金在300℃和500℃下平均摩擦系數(shù)隨接觸載荷的變化曲線，在接觸載荷作用下GCr15/TC4 對(duì)摩時(shí)平均摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)相似，即隨著接觸載荷的不斷增加，摩擦系數(shù)逐步減小，小載荷微動(dòng)過程中，剝落的磨屑不易被壓實(shí)，在接觸力的作用下溢出微動(dòng)坑，對(duì)摩金屬接觸面積大，壓實(shí)層不能對(duì)基體金屬起到保護(hù)作用導(dǎo)致摩擦系數(shù)較大。大載荷微動(dòng)過程中，剝落的金屬顆粒在載荷的作用下碾碎、壓實(shí)，不易溢出微動(dòng)接觸區(qū)域，大載荷微動(dòng)會(huì)產(chǎn)生更多的摩擦熱，實(shí)驗(yàn)環(huán)境處于300℃以上的高溫環(huán)境，剝落的磨粒在微動(dòng)坑內(nèi)氧化、壓實(shí)形成第三體，對(duì)金屬基體起到保護(hù)作用，降低摩擦系數(shù)。

不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境和不同載荷作用下的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域建立Ft-D-N圖，如圖4 所示，同一位移幅值時(shí)，小載荷作用下，運(yùn)行過程中磨粒平鋪在接觸區(qū)域，導(dǎo)致接觸區(qū)粗糙度上升，TC4 合金在兩種試驗(yàn)環(huán)境下的Ft-D-N曲線為平行四邊形，微動(dòng)運(yùn)行區(qū)屬于完全滑移狀態(tài)，兩接觸體在運(yùn)動(dòng)過程中表現(xiàn)為相對(duì)滑動(dòng)狀態(tài)，接觸中心黏著作用弱，相對(duì)滑動(dòng)更容易發(fā)生。Fn=50 N 的微動(dòng)過程中，摩擦系數(shù)曲線進(jìn)入穩(wěn)定階段的時(shí)間接近，整個(gè)微動(dòng)過程中穩(wěn)定階段耗時(shí)較長(zhǎng)，300℃的微動(dòng)過程中經(jīng)歷了兩個(gè)階段，前40000 次循環(huán)中曲線為橢圓形，而后開始向直線形過渡，說明微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域由初始的混合區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠只茀^(qū)；500℃的試驗(yàn)條件下，F(xiàn)t-D-N曲線在整個(gè)微動(dòng)階段保持橢圓形，說明微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域一直維持在混合區(qū)。Fn=100 N 的微動(dòng)過程中，兩種條件下的Ft-D-N曲線都處于直線形，說明在大載荷的微動(dòng)發(fā)生在部分滑移區(qū)，對(duì)摩副在接觸中心區(qū)域黏著，接觸邊緣產(chǎn)生微小滑動(dòng)，切向摩擦力呈現(xiàn)小幅振蕩狀態(tài)。

圖4 TC4合金在300℃和500℃下不同法向載荷作用下的Ft-D-N變化曲線Fig.4 Ft-D-N curves of TC4 alloy under different normal loads at 300℃and 500℃

摩擦耗散模型[30]是區(qū)別于Archard 磨損模型[31]的一種探究摩擦磨損的重要模型，改進(jìn)了Archard模型中忽略摩擦的問題，摩擦耗散能(Ed)是反映微動(dòng)磨損的關(guān)鍵要素，可由式(1)計(jì)算獲得[32]。

應(yīng)用式(1)可得到Ed隨著循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖5(a)所示。Ed的變化與載荷和溫度有關(guān)，兩種變量作用下Ed與循環(huán)次數(shù)都大致呈線性分布。500℃時(shí)Ed在任意載荷時(shí)都低于300℃而且隨著載荷的增加兩種溫度下的耗散能曲線斜率也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。說明高溫下，氧化反應(yīng)劇烈，加速了第三體層形成，降低了摩擦耗散能。

小載荷時(shí)，溫度對(duì)Ed的影響不大，兩種溫度下的Ed曲線基本重合，完全滑移狀態(tài)下第三體不容易在摩擦接觸表面形成，表面粗糙度增加，接觸表面失去第三體的保護(hù)，兩種溫度下摩擦系數(shù)變化大致相同，Ed曲線近似重合。大載荷時(shí)，微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域在混合區(qū)和部分滑移區(qū)，第三體對(duì)基體金屬的保護(hù)起到至關(guān)重要的作用。高溫和摩擦熱加速摩擦接觸區(qū)的氧化，加速了第三體的形成，導(dǎo)致摩擦表面粗糙度降低，Ed曲線在兩種溫度下的斜率存在較大差距。

能量耗散概念[33]用來描述和比較基體轉(zhuǎn)化層的微動(dòng)磨損特性，能量磨損模型反映的是磨損體積V和兩接觸體之間摩擦產(chǎn)生的耗散能Ed之間的正比關(guān)系，可以用能量磨損系數(shù)α來表述，能量磨損模型即為式(2)。

式中，V為磨損體積，由OLYMPUS OLS5000 3D激光共聚焦顯微鏡測(cè)得。

TC4 的能量磨損系數(shù)變化關(guān)系如圖5(b)所示，利用最小二乘法擬合，位移幅值相同時(shí)，TC4的磨損體積和摩擦耗散能成線性關(guān)系，斜率為α,殘差(回歸系數(shù))為R2，能量磨損模型可以預(yù)測(cè)TC4 合金的耐磨性能。由圖5(b)可知，TC4 合金300℃下的α和R2分別為1450 和0.58，500℃下的α和R2分別為2200 和0.88，說明第三體在高溫環(huán)境中的抗微動(dòng)磨損性能具有較好的穩(wěn)定性。能量磨損模型不僅展示了微動(dòng)磨損過程中第三體的穩(wěn)定性，而且說明法向載荷與能量磨損系數(shù)之間具有相關(guān)性。

圖5 不同條件下TC4合金摩擦耗散能曲線Fig.5 Friction dissipation energy curves of TC4 alloy under different conditions

2.2 磨損特性分析

磨損體積V和磨損率K是衡量其耐磨性能的另一指標(biāo)。K可由式(3)計(jì)算獲得[34]。

式中，N為循環(huán)次數(shù)，由循環(huán)時(shí)間×頻率計(jì)算得到。

圖6(a)、(b)分別是TC4 合金在300℃和500℃時(shí)不同法向載荷作用下磨損體積和磨損率變化曲線。由圖3可知，同一環(huán)境參數(shù)下隨著法向載荷的增加，磨損體積也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，磨損率隨著載荷的增加呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；同一微動(dòng)參數(shù)下500℃下的磨損體積和磨損率始終高于300℃。

圖6 TC4合金在不同溫度中接觸載荷作用下的微動(dòng)磨損性能Fig.6 Effects of contact loads on the wear performance of TC4 alloys at different temperatures

Fn=30，50，70 N 的微動(dòng)過程中，磨損體積和磨損率的變化趨勢(shì)平緩，F(xiàn)n增加到100 N 后，磨損體積和磨損率明顯驟減。大載荷的微動(dòng)過程中重疊區(qū)域增加，不易使疲勞剝落顆粒和磨屑溢出，磨粒的產(chǎn)生和溢出出現(xiàn)不均勻性，在載荷的作用下磨粒被壓實(shí)，形成一層致密的氧化薄層(第三體)對(duì)基體金屬起到保護(hù)作用，抑制TC4 合金的磨損，磨損率較小；小載荷的微動(dòng)過程中磨損體積增大，在交變載荷作用下，滑移區(qū)面積較大，磨屑在切向力的作用下容易溢出磨損坑，第三體層不易形成，對(duì)摩材料直接接觸，基體金屬失去第三體的保護(hù)加劇磨損，磨損率較大。

圖7 為TC4 在300℃和500℃，法向載荷為30、50、100 N 下的三維磨損形貌和二維輪廓曲線，GCr15/TC4 配副的微動(dòng)磨損研究中任意載荷作用下磨痕輪廓都大致呈現(xiàn)“W”形，說明高溫狀態(tài)和微動(dòng)摩擦熱加速了接觸區(qū)域基體金屬的氧化，氧化層的硬度和致密性導(dǎo)致不能向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，片狀的氧化層保護(hù)下層金屬，降低了基體的磨損，但是坑底出現(xiàn)不規(guī)則的輪廓，是片狀氧化薄層不連續(xù)引起，微動(dòng)循環(huán)過程中加速了基體的磨損，不連續(xù)層產(chǎn)生氧化剝層，逐次的循環(huán)中不斷被碾碎，一部分溢出微動(dòng)坑在接觸邊緣堆積，另一部分留在坑內(nèi)成為新的第三體，但磨粒對(duì)金屬犁削造成二次損傷，加速了材料的流失。

圖7 TC4合金在300℃和500℃環(huán)境下的磨痕三維形貌和二維輪廓曲線Fig.7 Three-dimensional shape and two-dimensional contour curve of the TC4 alloy at 300℃and 500℃

2.3 磨痕表面形貌

圖8 為TC4 合金在300℃和500℃下不同載荷(Fn=50，100 N)作用下微動(dòng)坑表面微觀形貌，相同位移幅值下，GCr15/TC4 配副的接觸過程中摩擦接觸面微觀形貌完整，如圖8(a)、(d)、(g)所示。磨痕中心均有垂直于微動(dòng)方向的黑色壓實(shí)區(qū)，黑色壓實(shí)區(qū)的面積隨著載荷的增加不斷增加，100 N 的微動(dòng)中接觸表面幾乎全部被壓實(shí)區(qū)覆蓋，這是由于散布在表面的磨屑在持續(xù)的循環(huán)過程中氧化、細(xì)化，在法向力的作用下壓實(shí)與基體金屬結(jié)合成第三體，如圖8(b)、(e)、(h)所示。在300℃的微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)中，小載荷(Fn=50 N)作用下，磨痕中心黑色第三體層明顯不連續(xù)，可以觀察到疲勞剝層，造成這一現(xiàn)象的原因是載荷在50 N 的微動(dòng)過程中處于混合區(qū)，是裂紋和疲勞裂紋斷層高發(fā)的滑移區(qū)，也是微動(dòng)磨損最為嚴(yán)重的階段，如圖8(b)、(c)所示，磨損機(jī)制主要是氧化磨損和疲勞磨損；合金基體平面可以觀察到GCr15鋼球擠壓溢出接觸區(qū)域在邊緣形成的材料堆積，是典型的磨粒磨損特征。大載荷(Fn=100 N)的微動(dòng)過程中，黑色壓實(shí)區(qū)連續(xù)且?guī)缀醪紳M整個(gè)微動(dòng)摩擦接觸面，疲勞裂紋和剝落坑面積明顯減少，該階段的微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域?qū)儆诓糠只茀^(qū)，磨損中心黏著，微動(dòng)只發(fā)生在接觸邊緣，高溫和摩擦熱加速了基體金屬的氧化，如圖8(d)、(e)所示，磨損特征主要是黏著磨損和氧化磨損。

圖8 300℃和500℃下TC4合金在不同條件下的表面微觀形貌Fig.8 The microscopic appearance of the TC4 alloy surface under different conditions at 300 and 500℃(a)～(c):Fn=50 N,300℃;(d)～(f):Fn=50 N,500℃;(g)～(i):Fn=100 N,500℃

考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)備自身的剛度小于實(shí)驗(yàn)需要，實(shí)際的位移值無(wú)法達(dá)到設(shè)定值，加劇了接觸區(qū)域的塑性變形，黏著作用增強(qiáng)[35]。摩擦前期原本平整的接觸表面被破壞，裸露的基體金屬凹凸不平,摩擦副接觸過程中局部應(yīng)力集中，多次循環(huán)下黏著被撕裂，形成小的剝落坑，如圖8(b)、(e)、(h)所示。剝落的顆粒在接觸載荷的作用下粉碎，犁削表面形成沿著微動(dòng)方向的犁溝，如圖8(b)、(f)、(h)所示；500℃、100 N的微動(dòng)接觸區(qū)域微動(dòng)發(fā)生在接觸邊緣，在高溫和摩擦熱的催化下加速了接觸邊緣塑性變形，對(duì)摩球的反復(fù)擠壓下，出現(xiàn)層狀舌形楔，如圖8(h)所示。

兩種溫度下的微動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，磨坑內(nèi)均可以發(fā)現(xiàn)明顯的不規(guī)則剝坑；在切向力的重復(fù)疊加下，交替作用的拉、壓應(yīng)力促使TC4 合金表面和亞表面形成疲勞裂紋，裂紋在長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)下擴(kuò)展和延伸以及交匯加劇基體金屬產(chǎn)生層狀脫落。載荷越大形成的黑色壓層明顯較多而且連續(xù)性優(yōu)于小載荷作用下所形成的；混合區(qū)形成的裂紋、疲勞剝層以及剝落坑明顯比部分滑移區(qū)嚴(yán)重，說明混合區(qū)是微動(dòng)破壞最嚴(yán)重的運(yùn)行區(qū)域。

金屬摩擦磨損過程中主要以表層和亞表層的彈塑性變形、磨屑顆粒產(chǎn)生和犁削、黏著斷裂過程中對(duì)偶件之間的材料轉(zhuǎn)移以及環(huán)境介質(zhì)中化學(xué)原子和機(jī)械混合4 大過程[36]。微米級(jí)的摩擦過程中，磨屑顆粒在接觸區(qū)域殘留，高溫催化作用下提高磨屑顆粒的親氧性，接觸表面O原子的侵入加劇，導(dǎo)致磨屑顆粒發(fā)生氧化反應(yīng)，法向載荷的作用下壓實(shí)進(jìn)而形成氧化原位生成層，是硬度較高和抗剪切性能更好的摩擦氧化層[29]。圖9 為300℃和500℃時(shí)TC4合金微動(dòng)摩擦區(qū)域剖面形貌，發(fā)現(xiàn)摩擦氧化層是一種磨屑堆積，壓實(shí)在高溫?zé)Y(jié)作用下形成的保護(hù)層；300℃時(shí)，基體金屬與摩擦氧化層分界面結(jié)合性能好，均勻覆蓋在塑性變形層，對(duì)下層金屬有較好的保護(hù)作用，如圖9(a)所示；500℃時(shí)，分界層連續(xù)性較差，壓實(shí)過程中出現(xiàn)了尺寸不一的孔隙，破壞了摩擦氧化層的致密性，如圖9(b)所示，對(duì)基體金屬的保護(hù)性較差。微動(dòng)過程中剝落的磨屑顆粒在機(jī)械參量和環(huán)境介質(zhì)的作用下燒結(jié)形成硬度高、潤(rùn)滑特性良好的摩擦氧化層，可以改善TC4 合金表面較差的摩擦性能。

圖9 300℃和500℃下TC4合金在微動(dòng)磨損剖面微觀形貌Fig.9 Micro morphology of TC4 alloy under fretting wear profile at 300℃and 500℃

根據(jù)微動(dòng)運(yùn)行圖以及微動(dòng)磨損形貌構(gòu)建TC4合金熱力耦合作用下微動(dòng)磨損區(qū)域演示以及材料表層組織演化示意圖，如圖10 所示。接觸載荷作為影響微動(dòng)的因素時(shí)，當(dāng)接觸載荷增加到一定值時(shí)，接觸狀態(tài)由小載荷作用時(shí)的完全滑移狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠只茽顟B(tài)。隨著載荷的持續(xù)增加，接觸面積也不斷增加，表層組織也由塑性變形協(xié)調(diào)機(jī)理下的混合滑移狀態(tài)逐步向彈性協(xié)調(diào)機(jī)制的直線形部分滑移狀態(tài)演化，二者之間的過渡沒有明顯的邊界；載荷增加的過程中，滑移區(qū)的面積與載荷的增加呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，黏著區(qū)呈現(xiàn)與之相反的趨勢(shì)。

圖10 接觸載荷作用下TC4合金微動(dòng)磨損接觸狀態(tài)及損傷演化示意圖Fig.10 Schematic diagram of fretting wear contact state and damage evolution of TC4 alloy under contact load

完全滑移狀態(tài)時(shí)，接觸表面在持續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，減少黏著作用，增加磨粒對(duì)金屬基體的犁削以及高溫和摩擦熱加速氧化壓實(shí)包覆在表層金屬，損傷機(jī)制主要為前期的塑性變形以及微動(dòng)穩(wěn)定期所表現(xiàn)出的疲勞剝層，磨粒磨損和氧化磨損。橢圓狀的混合區(qū)，塑性變形協(xié)調(diào)的黏著區(qū)，接觸表面損傷嚴(yán)重，疲勞剝層，黏著斷裂以及氧化嚴(yán)重，接觸邊緣滑動(dòng)伴有輕微磨粒磨損；直線型的部分滑移區(qū)，是塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥宰冃蔚倪^渡階段，中心黏著，邊緣微滑的接觸特性在接觸邊緣容易形成彈塑性變形區(qū)域，接觸中心黏著磨損、疲勞裂紋和氧化磨損為主。

2.4 微觀機(jī)理分析

GCr15/ TC4 配副探究TC4 合金的摩擦學(xué)性能時(shí)，TC4 合金作為研究對(duì)象硬度比對(duì)摩材料GCr15小，摩擦表面容易發(fā)生黏著現(xiàn)象。鈦合金具有良好的韌性，對(duì)黏著現(xiàn)象比較敏感，受切向力和表面微裂紋的作用，表面材料受到擠壓和剪切應(yīng)力的作用剝落，產(chǎn)生磨屑向?qū)ε记蜣D(zhuǎn)移，長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)過程中在微動(dòng)接觸區(qū)域發(fā)生材料的轉(zhuǎn)移。對(duì)磨斑進(jìn)行EDS 分析，如圖11(a)、(b)所示，結(jié)果表明接觸表面主要有Ti、O、V、Fe、Al等元素，高溫環(huán)境中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量較高，說明氧化磨損在TC4 合金微動(dòng)磨損行為中占據(jù)主導(dǎo)地位。Cr 元素的含量相對(duì)較少，F(xiàn)e 元素的含量較高，材料組成分析Cr、Fe 元素均來自GCr15鋼球，隨著溫度升高，兩種元素的含量均為下降趨勢(shì)，說明微動(dòng)磨損過程伴隨著黏著磨損，溫度越高黏著磨損對(duì)材料的磨損影響越小。

為了說明TC4合金高溫接觸摩擦面結(jié)構(gòu)的組成形式，對(duì)微動(dòng)坑進(jìn)行X 射線衍射，結(jié)果如圖11(c)所示，300℃時(shí)摩擦面主要分布TiO2，空氣與摩擦面的不斷接觸導(dǎo)致微量的TiO2生成，黏著磨損中GCr15鋼球轉(zhuǎn)移的Fe 元素在微動(dòng)坑內(nèi)與O 元素結(jié)合形成Fe2O3；與300℃相比，500℃時(shí)衍射結(jié)果顯示，摩擦面主要分布為TiO2和Fe2O3，衍射峰強(qiáng)度明顯高于300℃，氧化物的衍射強(qiáng)度明顯高于α-Ti 的衍射強(qiáng)度，說明微動(dòng)過程中氧化反應(yīng)劇烈，說明氧化磨損在TC4合金高溫微動(dòng)過程中占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖11 TC4合金表面EDS分析及不同溫度下磨坑X射線衍射結(jié)果Fig.11 EDS analysis of surface of TC4 alloy and X-ray diffraction results of the grinding pit under different conditions

3 結(jié) 論

(1)高溫環(huán)境中，GCr15/TC4 微動(dòng)磨損研究中摩擦系數(shù)曲線在法向載荷作用下出現(xiàn)上升再下降到穩(wěn)定的變化階段，摩擦系數(shù)隨著法向載荷的增加而減?。荒p體積隨載荷的增加而增大，磨損率隨著載荷的增加出現(xiàn)遞減的變化趨勢(shì)。Fn≤70 N 時(shí)，微動(dòng)處于滑移狀態(tài)，磨屑容易溢出，材料流失嚴(yán)重，磨損體積較大；Fn=100 N 時(shí)，微動(dòng)處于黏著狀態(tài)，材料損失以壓痕和微滑區(qū)材料流失為主，磨屑顆粒在接觸區(qū)域壓實(shí)，材料流失輕微，磨損體積較小。

(2)300℃時(shí)，F(xiàn)n=50 N的磨損后期微動(dòng)向部分滑移區(qū)過渡，載荷區(qū)間內(nèi)處于部分滑移的階段長(zhǎng)，氧元素含量較少，不易形成連續(xù)第三體，摩擦系數(shù)波動(dòng)明顯，接觸區(qū)域積聚少量的TiO2和Fe2O3。與300℃相比，500℃時(shí)Fn=100 N 時(shí)進(jìn)入部分滑移階段，氧元素含量較高，形成連續(xù)性更好、覆蓋面積更廣的第三體，摩擦系數(shù)低，波動(dòng)平緩，摩擦層由TiO2和Fe2O3組成，氧化物的X射線衍射強(qiáng)度增大。

(3)兩種試驗(yàn)環(huán)境中，摩擦類型屬于無(wú)潤(rùn)滑的干摩擦，小載荷作用時(shí)，微動(dòng)在完全滑移區(qū)運(yùn)行，磨粒磨損嚴(yán)重，犁削導(dǎo)致接觸面不光滑，摩擦系數(shù)波動(dòng)明顯，磨損坑較深，不連續(xù)的第三體對(duì)基體金屬的保護(hù)較差，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和氧化磨損。大載荷作用時(shí)，微動(dòng)在部分滑移區(qū)運(yùn)行，中間黏著邊緣微滑使摩擦系數(shù)波動(dòng)穩(wěn)定，磨痕較淺，疲勞脫層和裂紋明顯，磨損機(jī)制主要是黏著磨損、氧化磨損和疲勞磨損；氧化磨損是加劇TC4 合金磨損的關(guān)鍵因素。

符 號(hào) 說 明

Bal.——余量，%

D——位移幅值，μm

E——彈性模量，GPa

Ed——摩擦耗散能，J

Fn——法向載荷，N

Ft——切向力，N

HRC——洛氏硬度

i——微動(dòng)循環(huán)次數(shù)

K——磨損率，μm3/(N·μm)

N——微動(dòng)循環(huán)次數(shù)

P——法向載荷，N

Rm——抗拉強(qiáng)度，MPa

Rp——屈服強(qiáng)度，MPa

V——磨損體積，μm3

α——能量磨損系數(shù)，μm3/J

μ——摩擦系數(shù)