热力耦合下TC4合金微动磨损行为影响的研究

宋伟，李万佳，俞树荣，马荣荣

（兰州理工大学石油化工学院，甘肃 兰州 730050）

引 言

微动指两接触表面间发生微小振幅(微米量级)的相对运动，发生在一个近似紧固的机械配合件的振动工况中，造成具有隐蔽性、复杂性的损伤[1]。航空航天、海洋装备以及化工领域由微动引起的损伤成为失效的关键因素[2-3]，损伤表现为磨损、断裂以及腐蚀，磨损是机械设备失效的关键因素[4-6]。钛及其合金具有强度高、塑性好、耐蚀性优良，在较宽的温度范围内保持优良的综合力学性能等特点[7-8]，但钛合金自身耐摩擦性能差，构件接触表面易发生微动行为，直接导致构件疲劳裂纹的萌生和扩展，设备的服役寿命显著降低[9-11]，原因是磨屑颗粒污染严重、塑性剪切性能差、加工硬化差和表面氧化物的保护不足[12-15]。何燕妮等[16-17]研究不同温度下TC4合金分别与GCr15、Si3N4和Al2O3配对，微动磨损形成的摩擦氧化层对TC4 合金微动磨损行为的影响，发现温度为450℃时TC4 合金与三种接触副对摩时均形成了不同厚度的氧化层，揭示了TC4 合金高温下具有良好的抗微动磨损特性。王兰等[18-20]研究温度、位移幅值以及接触载荷对钛合金微动磨损，结果表明温度对钛合金的磨损量有影响，指出钛合金在常温下的磨损机理为磨粒磨损，并伴有轻微的氧化磨损和黏着磨损，温度150℃时，磨损主要以氧化磨损为主。柏林等[21-22]通过控制微动频率、法向载荷以及微动幅值研究TC21合金的磨损特性，发现磨粒磨损是TC21合金磨损的关键因素，随着循环次数的增加，剥落磨损和黏着磨损的影响越来越明显。

航空航天领域应用钛合金高温氧化是其失效的关键，高温状态下钛合金摩擦磨损行为的研究极其重要[23]。以工业中应用广泛的α+β 双相TC4合金作为研究对象，探究300℃和500℃时由接触载荷引起的摩擦磨损行为，从摩擦系数、磨损体积、磨痕表面形貌以及磨屑等方面对TC4合金的微动磨损机理进行讨论，为航空发动机以及其他飞行结构件的安全性和可靠性提供理论支持，从而进一步扩大TC4合金的应用领域。

1 实 验

利用如图1 所示的SRV-IV 摩擦磨损试验机来完成TC4 合金摩擦性能的研究，运行模式采用切向微动的形式，使用球/平面接触方式。上试样选用表面粗糙度小于0.02 μm、直径为Φ=10 mm 的GCr15钢球( 硬度HV≈6800 MPa)；下试样选用硬度HV≈3000 MPa 的圆柱形TC4 合金，如图2(a)所示，其微观组织SEM 形貌如图2(b)所示；用SiC 金相水磨砂纸打磨接触表面，将打磨好的接触面使用粒度为0.04 μm 的SiO2抛光液抛光至表面粗糙度Ra=0.04，最后将试样置于无水乙醇溶液中超声清洗残留在待磨表面的抛光液以及表面颗粒污染物，清洗完成后吹干备用，上下试样材料的化学成分和主要力学性能如表1、表2所示。

表2 TC4合金、GCr15轴承钢主要力学性能Table 2 Main mechanical properties of TC4 and GCr15

图1 微动磨损试验机工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of fretting wear tester

图2 TC4合金微观组织形貌Fig.2 Microstructure and morphology of TC4

表1 TC4合金、GCr15轴承钢的主要化学成分Table 1 Chemical composition of TC4 and GCr15

钛材已经成为制造航空发动机的关键部件以及飞机结构中关键承载部件的原材料，如航空压气机轮盘、叶片等[24]；飞机结构件使用的钛合金温度不超过350℃，发动机使用的钛合金温度在450～600℃[25-26]。实验分别设置在300℃和500℃下进行，为保证实验时稳定的温度场，将温度缓慢提高至实验所需温度后保温10 min，待温度稳定后开始实验，设置两种微动磨损试验条件:载荷分别为Fn=30，50，70，100 N，位移幅值控制在100 μm，频率25 Hz，试验时间设置为30 min。试样装夹时使用无水乙醇棉球在上下试样表面擦拭，保证微动接触区清洁。待实验结束，将试样置于无水乙醇溶液中进行超声清洗，待试样干燥后使用OLYMPUS 金相显微镜观察300℃和500℃灼烧后表面金相微观结构，如图2(c)、(d)所示。采用电子显微镜(SEM)和激光共焦显微镜表征磨斑形貌、磨损体积和磨坑轮廓曲线；采用D8 DISCOVER 高分辨X 射线衍射仪(2.2 kW、Cu 靶)衍射(XRD)和EDS 能谱仪对接触表面元素和物相结构进行分析。

2 实验结果讨论

2.1 摩擦系数与能量耗散分析

摩擦系数表示摩擦接触表面磨损特性的动态演化特性，反映磨损过程中瞬时摩擦界面微凸体接触状态[27]，图3(a)～(c)为TC4 合金在同一位移幅值(D=100 μm)、温度分别为300℃和500℃，不同接触载荷(Fn=30，50，100 N)作用下摩擦系数随着时间变化曲线。TC4合金的摩擦系数曲线由微动初期的快速上升阶段、中期的剧烈波动阶段、后期的稳定阶段三部分组成。起始阶段，TC4合金表面包覆氧化膜、油膜等对基体金属起到保护作用和减摩作用，摩擦系数小，但是表面氧化膜是一层较薄的致密氧化层，阻碍氧化层向基体金属内部延伸，受到剪切作用和挤压变形被迅速破坏，裸露的TC4 合金表面坑洼不平，上下试样微凸体接触促使接触区域局部应力增加，二体作用被加强，摩擦系数迅速上升至最高点，摩擦系数增加到最大值后开始骤减，在剪切应力的作用下黏着不断被破坏，同时黏着将对摩副材料带入接触区域；凸点在接触区交错分布，增加了微动循环过程中的阻力，交错的微凸峰在循环阻力作用下屈服和疲劳从基体金属剥落形成磨屑，摩擦系数曲线呈现锯齿状并逐步减小。剥落的磨屑颗粒沿微动运行的方向犁削接触表面加速表面和亚表面裂纹的扩展形成疲劳脱落，反复的剥落-氧化-碾碎-压实的过程中，磨损颗粒与氧原子在高温催化作用下氧化烧结形成机械混合层[28]，摩擦氧化层的物质基础是剥落和碾碎散布在微动坑内的磨粒[29]，磨屑颗粒在载荷的作用下被压实堆积，接触区域形成耐磨性较好的第三体，降低接触表面间的切应力，摩擦系数进入相对稳定阶段。

图3 TC4合金在300℃和500℃下摩擦系数随时间的变化和平均摩擦系数随着载荷的变化Fig.3 Changes of coefficient friction with time and changes of average friction coefficient with load of TC4 alloy at 300℃and 500℃

图3(d)为TC4 合金在300℃和500℃下平均摩擦系数随接触载荷的变化曲线，在接触载荷作用下GCr15/TC4 对摩时平均摩擦系数的变化趋势相似，即随着接触载荷的不断增加，摩擦系数逐步减小，小载荷微动过程中，剥落的磨屑不易被压实，在接触力的作用下溢出微动坑，对摩金属接触面积大，压实层不能对基体金属起到保护作用导致摩擦系数较大。大载荷微动过程中，剥落的金属颗粒在载荷的作用下碾碎、压实，不易溢出微动接触区域，大载荷微动会产生更多的摩擦热，实验环境处于300℃以上的高温环境，剥落的磨粒在微动坑内氧化、压实形成第三体，对金属基体起到保护作用，降低摩擦系数。

不同实验环境和不同载荷作用下的微动运行区域建立Ft-D-N图，如图4 所示，同一位移幅值时，小载荷作用下，运行过程中磨粒平铺在接触区域，导致接触区粗糙度上升，TC4 合金在两种试验环境下的Ft-D-N曲线为平行四边形，微动运行区属于完全滑移状态，两接触体在运动过程中表现为相对滑动状态，接触中心黏着作用弱，相对滑动更容易发生。Fn=50 N 的微动过程中，摩擦系数曲线进入稳定阶段的时间接近，整个微动过程中稳定阶段耗时较长，300℃的微动过程中经历了两个阶段，前40000 次循环中曲线为椭圆形，而后开始向直线形过渡，说明微动运行区域由初始的混合区转变为部分滑移区；500℃的试验条件下，Ft-D-N曲线在整个微动阶段保持椭圆形，说明微动运行区域一直维持在混合区。Fn=100 N 的微动过程中，两种条件下的Ft-D-N曲线都处于直线形，说明在大载荷的微动发生在部分滑移区，对摩副在接触中心区域黏着，接触边缘产生微小滑动，切向摩擦力呈现小幅振荡状态。

图4 TC4合金在300℃和500℃下不同法向载荷作用下的Ft-D-N变化曲线Fig.4 Ft-D-N curves of TC4 alloy under different normal loads at 300℃and 500℃

摩擦耗散模型[30]是区别于Archard 磨损模型[31]的一种探究摩擦磨损的重要模型，改进了Archard模型中忽略摩擦的问题，摩擦耗散能(Ed)是反映微动磨损的关键要素，可由式(1)计算获得[32]。

应用式(1)可得到Ed随着循环次数的变化曲线，如图5(a)所示。Ed的变化与载荷和温度有关，两种变量作用下Ed与循环次数都大致呈线性分布。500℃时Ed在任意载荷时都低于300℃而且随着载荷的增加两种温度下的耗散能曲线斜率也呈现出逐渐增加的趋势。说明高温下，氧化反应剧烈，加速了第三体层形成，降低了摩擦耗散能。

小载荷时，温度对Ed的影响不大，两种温度下的Ed曲线基本重合，完全滑移状态下第三体不容易在摩擦接触表面形成，表面粗糙度增加，接触表面失去第三体的保护，两种温度下摩擦系数变化大致相同，Ed曲线近似重合。大载荷时，微动运行区域在混合区和部分滑移区，第三体对基体金属的保护起到至关重要的作用。高温和摩擦热加速摩擦接触区的氧化，加速了第三体的形成，导致摩擦表面粗糙度降低，Ed曲线在两种温度下的斜率存在较大差距。

能量耗散概念[33]用来描述和比较基体转化层的微动磨损特性，能量磨损模型反映的是磨损体积V和两接触体之间摩擦产生的耗散能Ed之间的正比关系，可以用能量磨损系数α来表述，能量磨损模型即为式(2)。

式中，V为磨损体积，由OLYMPUS OLS5000 3D激光共聚焦显微镜测得。

TC4 的能量磨损系数变化关系如图5(b)所示，利用最小二乘法拟合，位移幅值相同时，TC4的磨损体积和摩擦耗散能成线性关系，斜率为α,残差(回归系数)为R2，能量磨损模型可以预测TC4 合金的耐磨性能。由图5(b)可知，TC4 合金300℃下的α和R2分别为1450 和0.58，500℃下的α和R2分别为2200 和0.88，说明第三体在高温环境中的抗微动磨损性能具有较好的稳定性。能量磨损模型不仅展示了微动磨损过程中第三体的稳定性，而且说明法向载荷与能量磨损系数之间具有相关性。

图5 不同条件下TC4合金摩擦耗散能曲线Fig.5 Friction dissipation energy curves of TC4 alloy under different conditions

2.2 磨损特性分析

磨损体积V和磨损率K是衡量其耐磨性能的另一指标。K可由式(3)计算获得[34]。

式中，N为循环次数，由循环时间×频率计算得到。

图6(a)、(b)分别是TC4 合金在300℃和500℃时不同法向载荷作用下磨损体积和磨损率变化曲线。由图3可知，同一环境参数下随着法向载荷的增加，磨损体积也呈现逐渐增加的趋势，磨损率随着载荷的增加呈现下降的趋势；同一微动参数下500℃下的磨损体积和磨损率始终高于300℃。

图6 TC4合金在不同温度中接触载荷作用下的微动磨损性能Fig.6 Effects of contact loads on the wear performance of TC4 alloys at different temperatures

Fn=30，50，70 N 的微动过程中，磨损体积和磨损率的变化趋势平缓，Fn增加到100 N 后，磨损体积和磨损率明显骤减。大载荷的微动过程中重叠区域增加，不易使疲劳剥落颗粒和磨屑溢出，磨粒的产生和溢出出现不均匀性，在载荷的作用下磨粒被压实，形成一层致密的氧化薄层(第三体)对基体金属起到保护作用，抑制TC4 合金的磨损，磨损率较小；小载荷的微动过程中磨损体积增大，在交变载荷作用下，滑移区面积较大，磨屑在切向力的作用下容易溢出磨损坑，第三体层不易形成，对摩材料直接接触，基体金属失去第三体的保护加剧磨损，磨损率较大。

图7 为TC4 在300℃和500℃，法向载荷为30、50、100 N 下的三维磨损形貌和二维轮廓曲线，GCr15/TC4 配副的微动磨损研究中任意载荷作用下磨痕轮廓都大致呈现“W”形，说明高温状态和微动摩擦热加速了接触区域基体金属的氧化，氧化层的硬度和致密性导致不能向金属内部扩展，片状的氧化层保护下层金属，降低了基体的磨损，但是坑底出现不规则的轮廓，是片状氧化薄层不连续引起，微动循环过程中加速了基体的磨损，不连续层产生氧化剥层，逐次的循环中不断被碾碎，一部分溢出微动坑在接触边缘堆积，另一部分留在坑内成为新的第三体，但磨粒对金属犁削造成二次损伤，加速了材料的流失。

图7 TC4合金在300℃和500℃环境下的磨痕三维形貌和二维轮廓曲线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

图8 为TC4 合金在300℃和500℃下不同载荷(Fn=50，100 N)作用下微动坑表面微观形貌，相同位移幅值下，GCr15/TC4 配副的接触过程中摩擦接触面微观形貌完整，如图8(a)、(d)、(g)所示。磨痕中心均有垂直于微动方向的黑色压实区，黑色压实区的面积随着载荷的增加不断增加，100 N 的微动中接触表面几乎全部被压实区覆盖，这是由于散布在表面的磨屑在持续的循环过程中氧化、细化，在法向力的作用下压实与基体金属结合成第三体，如图8(b)、(e)、(h)所示。在300℃的微动磨损实验中，小载荷(Fn=50 N)作用下，磨痕中心黑色第三体层明显不连续，可以观察到疲劳剥层，造成这一现象的原因是载荷在50 N 的微动过程中处于混合区，是裂纹和疲劳裂纹断层高发的滑移区，也是微动磨损最为严重的阶段，如图8(b)、(c)所示，磨损机制主要是氧化磨损和疲劳磨损；合金基体平面可以观察到GCr15钢球挤压溢出接触区域在边缘形成的材料堆积，是典型的磨粒磨损特征。大载荷(Fn=100 N)的微动过程中，黑色压实区连续且几乎布满整个微动摩擦接触面，疲劳裂纹和剥落坑面积明显减少，该阶段的微动运行区域属于部分滑移区，磨损中心黏着，微动只发生在接触边缘，高温和摩擦热加速了基体金属的氧化，如图8(d)、(e)所示，磨损特征主要是黏着磨损和氧化磨损。

图8 300℃和500℃下TC4合金在不同条件下的表面微观形貌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℃

考虑到实验设备自身的刚度小于实验需要，实际的位移值无法达到设定值，加剧了接触区域的塑性变形，黏着作用增强[35]。摩擦前期原本平整的接触表面被破坏，裸露的基体金属凹凸不平,摩擦副接触过程中局部应力集中，多次循环下黏着被撕裂，形成小的剥落坑，如图8(b)、(e)、(h)所示。剥落的颗粒在接触载荷的作用下粉碎，犁削表面形成沿着微动方向的犁沟，如图8(b)、(f)、(h)所示；500℃、100 N的微动接触区域微动发生在接触边缘，在高温和摩擦热的催化下加速了接触边缘塑性变形，对摩球的反复挤压下，出现层状舌形楔，如图8(h)所示。

两种温度下的微动实验中，磨坑内均可以发现明显的不规则剥坑；在切向力的重复叠加下，交替作用的拉、压应力促使TC4 合金表面和亚表面形成疲劳裂纹，裂纹在长时间的循环下扩展和延伸以及交汇加剧基体金属产生层状脱落。载荷越大形成的黑色压层明显较多而且连续性优于小载荷作用下所形成的；混合区形成的裂纹、疲劳剥层以及剥落坑明显比部分滑移区严重，说明混合区是微动破坏最严重的运行区域。

金属摩擦磨损过程中主要以表层和亚表层的弹塑性变形、磨屑颗粒产生和犁削、黏着断裂过程中对偶件之间的材料转移以及环境介质中化学原子和机械混合4 大过程[36]。微米级的摩擦过程中，磨屑颗粒在接触区域残留，高温催化作用下提高磨屑颗粒的亲氧性，接触表面O原子的侵入加剧，导致磨屑颗粒发生氧化反应，法向载荷的作用下压实进而形成氧化原位生成层，是硬度较高和抗剪切性能更好的摩擦氧化层[29]。图9 为300℃和500℃时TC4合金微动摩擦区域剖面形貌，发现摩擦氧化层是一种磨屑堆积，压实在高温烧结作用下形成的保护层；300℃时，基体金属与摩擦氧化层分界面结合性能好，均匀覆盖在塑性变形层，对下层金属有较好的保护作用，如图9(a)所示；500℃时，分界层连续性较差，压实过程中出现了尺寸不一的孔隙，破坏了摩擦氧化层的致密性，如图9(b)所示，对基体金属的保护性较差。微动过程中剥落的磨屑颗粒在机械参量和环境介质的作用下烧结形成硬度高、润滑特性良好的摩擦氧化层，可以改善TC4 合金表面较差的摩擦性能。

图9 300℃和500℃下TC4合金在微动磨损剖面微观形貌Fig.9 Micro morphology of TC4 alloy under fretting wear profile at 300℃and 500℃

根据微动运行图以及微动磨损形貌构建TC4合金热力耦合作用下微动磨损区域演示以及材料表层组织演化示意图，如图10 所示。接触载荷作为影响微动的因素时，当接触载荷增加到一定值时，接触状态由小载荷作用时的完全滑移状态，转变为部分滑移状态。随着载荷的持续增加，接触面积也不断增加，表层组织也由塑性变形协调机理下的混合滑移状态逐步向弹性协调机制的直线形部分滑移状态演化，二者之间的过渡没有明显的边界；载荷增加的过程中，滑移区的面积与载荷的增加呈现负相关趋势，黏着区呈现与之相反的趋势。

图10 接触载荷作用下TC4合金微动磨损接触状态及损伤演化示意图Fig.10 Schematic diagram of fretting wear contact state and damage evolution of TC4 alloy under contact load

完全滑移状态时，接触表面在持续的往复运动过程中，减少黏着作用，增加磨粒对金属基体的犁削以及高温和摩擦热加速氧化压实包覆在表层金属，损伤机制主要为前期的塑性变形以及微动稳定期所表现出的疲劳剥层，磨粒磨损和氧化磨损。椭圆状的混合区，塑性变形协调的黏着区，接触表面损伤严重，疲劳剥层，黏着断裂以及氧化严重，接触边缘滑动伴有轻微磨粒磨损；直线型的部分滑移区，是塑性状态转变为弹性变形的过渡阶段，中心黏着，边缘微滑的接触特性在接触边缘容易形成弹塑性变形区域，接触中心黏着磨损、疲劳裂纹和氧化磨损为主。

2.4 微观机理分析

GCr15/ TC4 配副探究TC4 合金的摩擦学性能时，TC4 合金作为研究对象硬度比对摩材料GCr15小，摩擦表面容易发生黏着现象。钛合金具有良好的韧性，对黏着现象比较敏感，受切向力和表面微裂纹的作用，表面材料受到挤压和剪切应力的作用剥落，产生磨屑向对偶球转移，长时间的循环过程中在微动接触区域发生材料的转移。对磨斑进行EDS 分析，如图11(a)、(b)所示，结果表明接触表面主要有Ti、O、V、Fe、Al等元素，高温环境中氧元素的质量分数含量较高，说明氧化磨损在TC4 合金微动磨损行为中占据主导地位。Cr 元素的含量相对较少，Fe 元素的含量较高，材料组成分析Cr、Fe 元素均来自GCr15钢球，随着温度升高，两种元素的含量均为下降趋势，说明微动磨损过程伴随着黏着磨损，温度越高黏着磨损对材料的磨损影响越小。

为了说明TC4合金高温接触摩擦面结构的组成形式，对微动坑进行X 射线衍射，结果如图11(c)所示，300℃时摩擦面主要分布TiO2，空气与摩擦面的不断接触导致微量的TiO2生成，黏着磨损中GCr15钢球转移的Fe 元素在微动坑内与O 元素结合形成Fe2O3；与300℃相比，500℃时衍射结果显示，摩擦面主要分布为TiO2和Fe2O3，衍射峰强度明显高于300℃，氧化物的衍射强度明显高于α-Ti 的衍射强度，说明微动过程中氧化反应剧烈，说明氧化磨损在TC4合金高温微动过程中占据主导地位。

图11 TC4合金表面EDS分析及不同温度下磨坑X射线衍射结果Fig.11 EDS analysis of surface of TC4 alloy and X-ray diffraction results of the grinding pit under different conditions

3 结 论

(1)高温环境中，GCr15/TC4 微动磨损研究中摩擦系数曲线在法向载荷作用下出现上升再下降到稳定的变化阶段，摩擦系数随着法向载荷的增加而减小；磨损体积随载荷的增加而增大，磨损率随着载荷的增加出现递减的变化趋势。Fn≤70 N 时，微动处于滑移状态，磨屑容易溢出，材料流失严重，磨损体积较大；Fn=100 N 时，微动处于黏着状态，材料损失以压痕和微滑区材料流失为主，磨屑颗粒在接触区域压实，材料流失轻微，磨损体积较小。

(2)300℃时，Fn=50 N的磨损后期微动向部分滑移区过渡，载荷区间内处于部分滑移的阶段长，氧元素含量较少，不易形成连续第三体，摩擦系数波动明显，接触区域积聚少量的TiO2和Fe2O3。与300℃相比，500℃时Fn=100 N 时进入部分滑移阶段，氧元素含量较高，形成连续性更好、覆盖面积更广的第三体，摩擦系数低，波动平缓，摩擦层由TiO2和Fe2O3组成，氧化物的X射线衍射强度增大。

(3)两种试验环境中，摩擦类型属于无润滑的干摩擦，小载荷作用时，微动在完全滑移区运行，磨粒磨损严重，犁削导致接触面不光滑，摩擦系数波动明显，磨损坑较深，不连续的第三体对基体金属的保护较差，磨损机制主要为磨粒磨损和氧化磨损。大载荷作用时，微动在部分滑移区运行，中间黏着边缘微滑使摩擦系数波动稳定，磨痕较浅，疲劳脱层和裂纹明显，磨损机制主要是黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损；氧化磨损是加剧TC4 合金磨损的关键因素。

符 号 说 明

Bal.——余量，%

D——位移幅值，μm

E——弹性模量，GPa

Ed——摩擦耗散能，J

Fn——法向载荷，N

Ft——切向力，N

HRC——洛氏硬度

i——微动循环次数

K——磨损率，μm3/(N·μm)

N——微动循环次数

P——法向载荷，N

Rm——抗拉强度，MPa

Rp——屈服强度，MPa

V——磨损体积，μm3

α——能量磨损系数，μm3/J

µ——摩擦系数