微動幅值對Ti-6Al-4V合金摩擦特性的影響

郭 薇，李 健，黃淑梅，王運鋒，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，陜西 西安，710072)

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微動幅值對Ti-6Al-4V合金摩擦特性的影響

郭 薇1，李 健2，黃淑梅1，王運鋒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，陜西 西安，710072)

鈦合金的微動磨損會加速裂紋萌生及擴展，甚至導致構件提前失效。為了在有限元建模過程中提供更加準確地反映鈦合金摩擦特性的數(shù)據(jù)，更好地模擬微動磨損行為，對微動幅值為10～300 μm時，球/平面接觸Ti-6Al-4V合金的微動摩擦特性進行了研究，測量了不同微動幅值下的摩擦系數(shù)，對微動斑中心區(qū)域的表面形貌進行了表征，并對接觸界面不同深度處的化學成分進行了檢測。結果表明，微動幅值為100 μm時摩擦系數(shù)最大，不同微動幅值下，摩擦系數(shù)的演變不一致，且摩擦系數(shù)的演變與微動模式有關；微動幅值的不同會導致表面形貌的差異，隨著微動幅值的增大，磨屑顆粒逐漸減小，同時形狀從塊狀逐漸向球形轉變；此外，當微動幅值較大時，鈦合金表面氧化嚴重，并伴隨有氮化物的形成。

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

0 引 言

機械連接的飛機結構件在服役狀態(tài)下不可避免地會出現(xiàn)微動行為。所謂微動是指緊密接觸的組件間發(fā)生小幅值相對運動，它會加速裂紋萌生及擴展，導致構件咬合松動、噪音，嚴重的甚至導致構件提前失效。現(xiàn)有的研究表明，飛機結構件失效中涉及微動損傷的高達90%[1]。

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

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

1 實 驗

1.1 實驗材料

試驗件及對磨件所用材料均為Ti-6Al-4V合金，其各項性能見表1。

表1 實驗用Ti-6Al-4V合金的各項性能

實驗設備及試驗件、對磨件尺寸見圖1。其中，試驗件固定，由微動摩擦磨損試驗機控制對磨件進行往復微動。試驗件為直徑8.00 mm，厚度3.00 mm的圓片，對磨件為圓柱狀，接觸面為球形。實驗前先用砂紙對試驗件和對磨件的接觸界面進行打磨，并用酒精清洗。打磨后表面粗糙度Ra為0.04 μm。

圖1 微動摩擦磨損試驗機照片及試驗件、對磨件尺寸Fig.1 Photos of fretting friction testing machine and the sizes of test piece and grinding piece

1.2 實驗過程

實驗環(huán)境溫度為23±3 ℃，濕度為40% ±5%。實驗過程中，通過微動摩擦磨損試驗機控制微動幅值、法向載荷、往復頻率以及循環(huán)次數(shù)，試驗機將自動計算并輸出微動摩擦系數(shù)、切向力。

實驗選擇的微動幅值為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。利用光學自動對焦三維形貌測量儀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自帶的能譜分析設備(EDS)檢測其化學成分。

2 結果與分析

2.1 微動摩擦系數(shù)

微動摩擦系數(shù)是分析摩擦行為的重要參數(shù)，微動幅值不同，微動摩擦系數(shù)也不同。圖2為不同微動幅值下Ti-6Al-4V合金試驗件的微動摩擦系數(shù)曲線?？梢钥闯觯S著微動幅值的增大，摩擦系數(shù)迅速增大，當達到最大值后，出現(xiàn)下降。本研究中，微動幅值為100 μm時，摩擦系數(shù)最大，出現(xiàn)這種情況主要與微動狀態(tài)有關。當微動幅值較小時，微動狀態(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)生微量的相對位移，而外圍區(qū)域處于滑移狀態(tài)，此時微動可被視為類似靜摩擦行為。隨著微動幅值增大，靜摩擦力增大，微動摩擦系數(shù)增大。當微動幅值進一步增大時，微動狀態(tài)向混合滑移狀態(tài)轉變，此時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系。當微動幅值較大時，微動狀態(tài)逐漸轉換為全滑移狀態(tài)，摩擦系數(shù)逐漸保持穩(wěn)定，與Pearson等人[9]的研究結果類似。

圖2 不同微動幅值下Ti-6Al-4V合金試驗件的微動摩擦系數(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)的演變過程，進行了更長時間的微動摩擦磨損實驗。圖3為長時間微動摩擦過程中，不同微動幅值下微動摩擦系數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，微動幅值較低時(10、20 μm)，在初始階段，摩擦系數(shù)緩慢下降；當微動幅值為50 μm時，微動摩擦系數(shù)基本保持不變，100 μm時則緩慢上升，200、300 μm時出現(xiàn)了明顯的上升。圖4為不同微動幅值下長時間微動前后Ti-6Al-4V合金試驗件微動摩擦系數(shù)的對比圖。從圖中可以看到，當微動幅值較小時(<100 μm)，微動摩擦系數(shù)呈線性迅速增長，而當微動幅值進一步增大時，則緩慢下降。微動摩擦系數(shù)的演變與微動模式和摩擦熱有關。低幅值微動模式為微動疲勞形式，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)。隨著微動幅值的增大，微動模式由微動疲勞向微動磨損轉變，摩擦耗散能也逐漸增大[6]，從而導致表面溫度隨微動幅值的增大而升高，加速了新裸露鈦合金界面的氧化過程，氧化層厚度增大，進而造成微動摩擦系數(shù)增大。需要說明的是，破碎的氧化層可以起到固體潤滑劑的作用，降低摩擦系數(shù)，使摩擦系數(shù)最終達到平衡狀態(tài)。

圖3 不同微動幅值下Ti-6Al-4V合金試驗件的微動摩擦系數(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合金試驗件的摩擦系數(shù)對比Fig.4 Comparison curves of COF of Ti-6Al-4V alloy test pieces under different cycles

2.2 微動斑

微動斑是微動過程特有的現(xiàn)象，對微動斑進行分析有利于了解微動行為。利用自動對焦三維表面測量儀對鈦合金微動斑進行分析，圖5為不同微動幅值下Ti-6Al-4V合金試驗件微動斑的示意圖，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，微動幅值為10 μm時，表面磨損深度較為均勻，表明此時處于粘著磨損狀態(tài)。微動幅值為50 μm時，微動斑形成滑移環(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)。而微動幅值為100、200 μm時，則可以看到中心區(qū)域磨損深度最大，結合關于微動摩擦系數(shù)的分析可以知道，當微動幅值為100 μm時，微動模式處于全滑移狀態(tài)與混合滑移狀態(tài)的交界處，即所謂的摩擦轉變區(qū)域(TTR區(qū)域)。而微動幅值為200 μm時微動狀態(tài)為典型的全滑移狀態(tài)。另外對比磨損深度可以看到，隨著微動幅值的增大，相同循環(huán)次數(shù)下，磨損深度逐漸增大。

圖5 不同微動幅值下Ti-6Al-4V合金試驗件微動斑的示意圖(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

表面形貌與微動摩擦系數(shù)有直接聯(lián)系，不同的微動幅值將導致界面形貌的差異。利用掃描電鏡(SEM)對不同微動幅值下Ti-6Al-4V合金試驗件的表面形貌進行了觀察，其表面形貌見圖6。從圖6a可以看出，當微動幅值為10 μm時，表面有大量的裂紋及凹坑，形成了塊狀磨屑顆粒,此時為粘著狀態(tài)。微動過程中表面主要發(fā)生彈性變形，長時間的彈性變形將導致表面發(fā)生疲勞開裂，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，當微動幅值為50 μm時，表面存在兩種形貌，即球狀顆粒以及膜狀結構。在微動過程中，球狀磨屑顆粒隨溫度升高而粘著，形成膜狀結構，而摩擦力的作用使膜狀結構發(fā)生撕裂并被帶離微動區(qū)域，從而導致下層的鈦合金裸露出來，并在往復摩擦過程中形成近球形顆粒。

當微動幅值進一步增大時(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”成膜狀的速度也加快。從圖中可以明顯看到表面被膜狀結構覆蓋，同時膜狀結構粘附大量細小顆粒。并且由于幅值增大，在往復微動過程中，形成的瞬時沖擊作用加大，因此表面膜狀結構發(fā)生了撕裂。大量的膜狀結構覆蓋接觸界面也導致該微動幅值下摩擦系數(shù)具有最大值。

圖6 不同微動幅值下Ti-6Al-4V合金試驗件的表面磨損形貌(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磨損行為，對微動幅值為100 μm時，Ti-6Al-4V合金試驗件的剖面形貌進行了分析，結果見圖7。從圖中可以看出，微動磨損機制為逐層剝落，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，結果見表2。從表2可以看出，最外層氧含量最高，發(fā)生了嚴重氧化。此外，還形成了含氮化合物。

圖7 微動幅值為100 μm時Ti-6Al-4V合金試驗件的剖面形貌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 論

(1)隨著微動幅值的增大，微動摩擦系數(shù)迅速增大，而后緩慢下降并趨于平穩(wěn)。當微動幅值為100 μm時，微動摩擦系數(shù)最大，此時微動狀態(tài)處于轉變區(qū)。

(2)不同微動幅值下，摩擦系數(shù)的演化不一致。

當微動幅值較小(≤20 μm)時，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)緩慢下降；當微動幅值增大到50 μm時，摩擦系數(shù)基本保持穩(wěn)定；當微動幅值進一步增大時(≥100 μm)，摩擦系數(shù)增大。摩擦系數(shù)的演變與微動模式有關。

(3)微動幅值的不同會導致表面形貌的差異，隨著微動幅值的增大，磨屑顆粒逐漸減小，同時形狀從塊狀逐漸向球形轉變。隨著微動幅值的進一步增大，球形顆粒又因摩擦熱而粘結成膜狀結構，膜狀結構的形成提高了微動摩擦系數(shù)。另外，當微動幅值較大時，鈦合金表面氧化嚴重，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

國家自然科學基金項目(51275410)

李健(1985—)，男，博士研究生。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)05-0016-05