宋 偉, 李萬(wàn)佳, 俞樹(shù)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(gè)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(jí))的相對(duì)滑動(dòng)稱為微動(dòng)[1],微動(dòng)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(dòng),功率損失嚴(yán)重,而且微動(dòng)加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展,成為降低構(gòu)件使用壽命的關(guān)鍵[2],基于微動(dòng)磨損的隱蔽性、持續(xù)性以及復(fù)雜性,研究微動(dòng)摩擦學(xué)性能可以在極大程度上緩解微動(dòng)磨損帶來(lái)的負(fù)面影響[3-4].
鈦及其合金材料具有比強(qiáng)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(jī)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(dòng)磨損特性,發(fā)現(xiàn)微動(dòng)接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生一層具有潤(rùn)滑特性的水膜降低了摩擦系數(shù),在小位移幅值作用時(shí)磨損以磨粒磨損和疲勞脫層為主,大位移幅值時(shí)為磨粒磨損.俞樹(shù)榮等[10]研究了不同環(huán)境介質(zhì)以及不同摩擦配副對(duì)TC4合金的微動(dòng)磨損特性,結(jié)果表明,運(yùn)行過(guò)程中純水只具有潤(rùn)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(duì)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(dòng)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(rèn)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(duì)滑動(dòng)伴隨塑性變形為主,摩擦力隨著位移幅值和時(shí)間的變化關(guān)系相對(duì)復(fù)雜,F(xiàn)t-D-N曲線表征為橢圓狀[1].該區(qū)域是微動(dòng)磨損行為最為嚴(yán)重的階段,微裂紋在接觸邊緣萌生朝著微動(dòng)方向和垂直微動(dòng)方向發(fā)展,且在改變法向載荷的過(guò)程中混合區(qū)表現(xiàn)出的裂紋深度最大[12].飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件在使用溫度一般不超過(guò)350 ℃且部分結(jié)構(gòu)件在水介質(zhì)中工作[13-14],因此,本文對(duì)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(dòng)摩擦磨損行為和磨損特性進(jìn)行研究.
利用德國(guó)Optimol油脂公司設(shè)計(jì)的SRV-IV微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)完成TC4合金微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn),微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)工作結(jié)構(gòu)如圖1a所示,微動(dòng)采用球/平面接觸的切向微動(dòng)運(yùn)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(jī)械拋光至Ra=0.03~0.04 μm的鏡面,將拋光好的試樣置于無(wú)水乙醇和丙酮溶液中進(jìn)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(duì)TC4合金的微動(dòng)磨損研究表明,在50 N、100 μm的TC4合金微動(dòng)磨損中接觸區(qū)域進(jìn)入混合滑移區(qū)[15-16].本文設(shè)定TC4合金微動(dòng)磨損試驗(yàn)分別在25℃空氣、常溫純水和300℃大氣環(huán)境中進(jìn)行,法向載荷為50 N,位移幅值100 μm,頻率50 Hz,微動(dòng)循環(huán)45 000次;實(shí)驗(yàn)前使用腐蝕液對(duì)TC4合金待摩擦表面擦拭,腐蝕20 s,使用丙酮溶液和無(wú)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(shí)驗(yàn)安裝前將待摩擦試樣用無(wú)水乙醇棉球擦拭以保證待摩面干凈;實(shí)驗(yàn)完成后使用無(wú)水乙醇超聲清洗已摩擦好的試樣.使用QUATNTA FEG450場(chǎng)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(cè)量微動(dòng)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(duì)微動(dòng)磨坑進(jìn)行物相檢索分析.
圖2 TC4合金微觀組織形貌
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(dòng)循環(huán)時(shí)間的變化曲線,由圖可見(jiàn)摩擦系數(shù)變化曲線可以大致分為三個(gè)階段,初始階段表現(xiàn)為快速上升階段,中期劇烈波動(dòng)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(guò)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(duì)磨副,原本坑洼不平的基體金屬在摩擦過(guò)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(qiáng).波動(dòng)階段,摩擦力突然下降,摩擦系數(shù)在極大值處開(kāi)始驟減,意味著微動(dòng)經(jīng)歷了第一個(gè)由粘著型向滑移型轉(zhuǎn)變,摩擦系數(shù)的每一次降低標(biāo)志著接觸表面局部地區(qū)的粘著點(diǎn)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(dòng)循環(huán)過(guò)程中,摩擦系數(shù)進(jìn)入小幅波動(dòng)的狀態(tài),斷裂形成的磨屑在反復(fù)的干摩擦過(guò)程中碾碎-氧化壓實(shí)形成致密的第三體層,磨損接觸區(qū)域開(kāi)始由二體作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿w作用,摩擦系數(shù)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段.
干摩條件下,TC4合金在300 ℃時(shí)摩擦系數(shù)的平緩程度及其值均小于25 ℃時(shí)的摩擦系數(shù),混合滑移時(shí)邊緣微滑中心粘著狀態(tài)不利于磨屑溢出微動(dòng)接觸區(qū);這是由于常溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程中磨粒僅在摩擦熱的作用下無(wú)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(dòng)程度及其值的增大,而300 ℃微動(dòng)磨損過(guò)程中高溫以及摩擦熱加速氧化、碾碎過(guò)程,在法向載荷的作用下壓實(shí)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(dòng)過(guò)程相比,水覆介質(zhì)(25 ℃純水)中摩擦系數(shù)波動(dòng)程度明顯更小,因?yàn)樵谒橘|(zhì)中,接觸區(qū)域容易形成具有潤(rùn)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(shí)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(duì)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(dòng)即將進(jìn)入穩(wěn)定階段(圖3中虛線部分)時(shí)三種試驗(yàn)工況下的Ft-D-N曲線,可見(jiàn),微動(dòng)曲線呈現(xiàn)橢圓形,說(shuō)明微動(dòng)試驗(yàn)控制在混合滑移狀態(tài),意味著摩擦區(qū)域進(jìn)入三體接觸狀態(tài),但是存在二體作用,摩擦表面通常會(huì)有較強(qiáng)烈的塑性變形以及可能伴有裂紋的萌生和擴(kuò)展.
圖3 TC4合金在不同介質(zhì)中混合滑移運(yùn)行下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線
磨損體積和磨損率是TC4合金耐磨性能探究過(guò)程中最直觀的衡量指標(biāo),磨損體積V由OLYMPUS OLS 5000 3D激光顯微鏡直接測(cè)得,磨損率由下式計(jì)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(yùn)行工況下的磨損體積直方圖和磨損率隨著實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的變化曲線圖,發(fā)現(xiàn)三種實(shí)驗(yàn)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(duì)TC4合金微動(dòng)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(shí)驗(yàn)介質(zhì)中的微動(dòng)磨損行為是無(wú)潤(rùn)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(shí)間長(zhǎng),磨屑顆粒在接觸副之間反復(fù)碾壓形成細(xì)小的粒子,在法向載荷的作用下還未溢出微動(dòng)坑就被壓實(shí)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(duì)偶接觸表面的直接接觸,二體作用減弱,三體作用增強(qiáng).常溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,摩擦熱不足以將微動(dòng)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(yán)重,磨損體積和磨損率升高.反觀300 ℃介質(zhì)中的TC4合金微動(dòng)磨損過(guò)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(hù)了基體金屬,降低了磨損體積和磨損率,說(shuō)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(dòng)接觸區(qū)域可以在接觸表面形成具有減摩和潤(rùn)滑作用的水膜,能夠有效減緩對(duì)摩副之間的粘著作用,使磨粒在潤(rùn)滑作用下加速溢出微動(dòng)坑,避免了磨粒對(duì)基體金屬的二次犁削,從而保護(hù)了基體金屬,使摩擦系數(shù)降低.
圖5為TC4合金在三種實(shí)驗(yàn)工況下的三維磨損形貌和二維輪廓曲線,可見(jiàn),三種運(yùn)行工況下,微動(dòng)磨損過(guò)程磨痕輪廓清晰、完整;從二維輪廓曲線來(lái)看,在干摩時(shí),磨痕呈現(xiàn)“W”形,水覆介質(zhì)中大致為“U”形,說(shuō)明不同環(huán)境介質(zhì)對(duì)TC4合金的微動(dòng)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(shí),形成“W”形的磨損形貌,磨痕中間具有明顯的壓實(shí)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(shí)形成第三體,形成“U”形摩擦輪廓.從磨損深度來(lái)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(shí)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(dòng)磨損三維和輪廓截面形貌
磨痕深度較淺;而對(duì)于有潤(rùn)滑的摩擦,水膜減緩了切應(yīng)力的作用,起到減摩和潤(rùn)滑作用,相對(duì)同級(jí)別的干摩擦,磨痕較淺.
混合滑移狀態(tài)下TC4合金在不同介質(zhì)中與GCr15對(duì)磨,其磨痕表面形貌如圖6所示,由圖可見(jiàn),干摩擦?xí)r,摩擦接觸區(qū)均有沿厚度方向的黑色壓實(shí)區(qū),溫度越高,黑色壓實(shí)區(qū)越明顯,且從圖中可以發(fā)現(xiàn)黑色壓實(shí)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(dòng)過(guò)程中幾乎沒(méi)有,如圖6b、6f所示.常溫環(huán)境中,微動(dòng)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(duì)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?yàn)槟バ碱w粒混合在水溶液中,無(wú)法附著在摩擦面上,在切向力和水的潤(rùn)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(dòng)性能實(shí)驗(yàn)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(yán)重的塑性變形,在切向力的作用下合金內(nèi)部長(zhǎng)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(dòng)過(guò)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(shuō)明干摩擦?xí)r,混合滑移狀態(tài)下TC4合金的微動(dòng)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(dòng)方向的犁削痕跡,如圖6d所示,因?yàn)檎持鴶嗔研纬傻哪チT谒淖饔孟聼o(wú)法附著在摩擦表面,在切向力的作用下隨著微動(dòng)運(yùn)行的方向在摩擦接觸區(qū)域犁削下層金屬?gòu)亩纬裳刂?dòng)方向深淺不一,長(zhǎng)度不一致的犁溝,說(shuō)明在水潤(rùn)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(dòng)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(jiàn),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(méi)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(dòng)接觸區(qū)域分布有一層具有減摩和潤(rùn)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(duì)軟近似滑動(dòng)接觸中,硬質(zhì)材料磨損輕微甚至可以認(rèn)為幾乎沒(méi)有發(fā)生磨損.而300 ℃的微動(dòng)磨損中接觸區(qū)域布滿黑色壓實(shí)區(qū),對(duì)黑色壓實(shí)區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)這是磨屑氧化-碾碎-再氧化-壓實(shí)的氧化物生成壓實(shí)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(shí)層可以作為固體潤(rùn)滑劑鋪滿摩擦接觸區(qū)域,降低了磨損循環(huán)過(guò)程中的切應(yīng)力,同時(shí)減緩了磨損接觸區(qū)域的粘著特性,從而使GCr15表面在微動(dòng)過(guò)程中幾乎沒(méi)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(dòng)磨損形貌
圖8a、8b是環(huán)境溫度為25 ℃時(shí),TC4合金在空氣環(huán)境和純水環(huán)境中的微動(dòng)磨損過(guò)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(dòng)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(dāng)滾珠,犁削表面基體金屬,微動(dòng)磨損坑較深.對(duì)磨損區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析后與表1中TC4合金的化學(xué)成分對(duì)比發(fā)現(xiàn),微動(dòng)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(lái)自對(duì)摩副GCr15鋼球,說(shuō)明TC4合金在混合區(qū)的微動(dòng)磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p導(dǎo)致對(duì)磨副之間發(fā)生了材料的轉(zhuǎn)移,在水覆環(huán)境中水的潤(rùn)滑作用促進(jìn)摩擦副之間的相對(duì)滑動(dòng),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(dòng)磨損,300 ℃微動(dòng)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(qiáng)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(shí)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(shí)氧化層可以作為固體潤(rùn)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(dòng)保持在混合滑移過(guò)程中進(jìn)行,中心粘著、邊緣微滑的特點(diǎn)誘發(fā)中心粘著斷裂,粘著斷裂-氧化-壓實(shí)-新粘著的形成誘導(dǎo)對(duì)摩小球材料向著基體金屬過(guò)渡,使微動(dòng)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(hù)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(dòng)摩擦特性促進(jìn)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(dòng)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)
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(biāo)志二體作用逐漸向三體作用過(guò)渡.
2) 干摩擦試驗(yàn)工況下,25 ℃空氣實(shí)驗(yàn)中摩擦系數(shù)較大,磨損體積大,微動(dòng)磨損產(chǎn)生的摩擦熱不足以形成大面積的氧化物壓實(shí)層,磨損機(jī)制為粘著磨損和輕微的氧化磨損.
3) 300 ℃空氣實(shí)驗(yàn)中,摩擦系數(shù)較低,磨損體積小,高溫促進(jìn)TC4合金表面的氧化反應(yīng),沿厚度方向的黑色壓實(shí)層和壓實(shí)層的連續(xù)性都明顯大于25 ℃空氣中的實(shí)驗(yàn),揭示TC4合金具有高溫耐磨性,磨損機(jī)制主要為粘著磨損和氧化磨損.
4) 水覆介質(zhì)中,水潤(rùn)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(duì)基體金屬的犁削輕微,磨損體積和磨損率較同級(jí)別干摩擦?xí)r低,磨損機(jī)制為磨粒磨損.