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TC4钛合金微动磨损损伤及DLC薄膜防护机理研究

景鹏飞  
【摘要】:TC4钛合金因其优异的性能被广泛应用于航空航天中。随着航空航天技术的快速发展,对航空航天设备及其零部件的抗微动磨损性能要求也越来越高。但钛合金对微动磨损极为敏感,极易造成机械构件失效与断裂。因此,迫切需要改善钛合金的微动摩擦磨损性能。在保持钛合金原有性能的基础上,表面改性技术和润滑技术是提高钛合金抗微动磨损性能的有效途径。为提高TC4钛合金基体的抗微动磨损性能,采用非平衡磁控溅射技术(Unbalanced Magnetron Sputtering)在TC4钛合金表面沉积了类金刚石(DLC)薄膜。本文结合航空航天与海洋工程领域钛合金材料的发展需求,从钛合金表面改性设计出发,针对干摩和润滑油等工作环境,分别研究其在干摩擦、基础油润滑、DLC固体薄膜润滑以及DLC与油构成固/液复合润滑等不同润滑条件下的微动摩擦学行为。采用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜、微区XRD、XPS、EDS电子能谱、拉曼等表征与检测手段,对磨屑、磨痕表面及截面、对偶磨斑进行了检测分析,系统研究了 TC4和DLC的微动磨损规律及损伤机理,建立了相关模型,以期研究结果能够为钛合金表面减摩抗磨设计提供新的方法,为提升其微动磨损性能提供理论依据。论文主要工作和结论如下:(1)TC4干摩擦条件:不同载荷及位移幅值显著影响微动磨损运行的滑移状态。在较低法向载荷或较大位移幅值下,完全滑移(GSR)占主导地位。在较高法向载荷或较小位移幅值下,部分滑移(PSR)、混合滑移(MSR)占主导地位。部分滑移状态下,摩擦系数较小且稳定,磨损形式以氧化磨损、磨粒磨损和疲劳裂纹为主;混合滑移状态下,损伤形式主要为氧化磨损、粘着磨损、疲劳裂纹;完全滑移状态下,摩擦系数波动剧烈,磨损体积急剧增加,磨损形式变为氧化磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和粘着磨损。基于摩擦耗散能理论,分析得出在相同载荷时,微动磨损体积与累积摩擦耗散能呈线性关系。TC4钛合金能量磨损系数随着法向载荷的增加而减小。频率增加不仅加速磨屑排出进程,还促使微动磨损形式由磨粒磨损向粘着磨损转变。微动频率的变化影响TTS和氧化磨屑层发展及演变过程,进而会影响整个微动磨损历程。低频下,观察到磨痕截面有少量的氧化磨屑层与TTS结构组成。较高的频率下,摩擦氧化作用时间与摩擦氧化速率存在竞争关系。磨痕截面发生了变化,包括严重晶粒细化的氧化磨屑层和塑性变形的TTS结构。随循环次数的增加,摩擦耗散逐渐增加,微动磨损程度如材料摩擦氧化及摩擦转移行为越来越剧烈。(2)TC4油润滑条件:油润滑环境时所有载荷及位移幅值条件下TC4仍然表现出严重的粘着磨损、磨粒磨损和塑性变形,润滑效果不明显。因为油润滑很难完全防止TC4合金粘附,使之润滑效果不大。微动磨损过程中,基体的表面硬度及承载能力有限,不能有效减轻粘着磨损程度;随着摩擦磨损进行基体表面完整性丧失,粗糙度变大,润湿性降低,不利于弹性流体动压润滑油膜的形成,所以润滑效果不佳。(3)DLC干摩擦条件:载荷和位移幅值对DLC薄膜微动摩擦磨损行为和损伤机理有显著影响。当位移幅值为25μm时,微动运行于混合滑移(mixed slip regime,MSR)情形下,当位移幅值为100μm时,微动运行于完全滑移(gross slip regime,GSR)情形下。小位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是磨粒磨损为主;大位移幅值时,DLC薄膜磨损机理是粘着磨损为主。干摩擦条件下,DLC薄膜有良好的抗微动磨损性能,关键就在于其优异力学性能和自润滑特性。与TC4基体相比,DLC薄膜微动磨损性能大大提高,磨损体积较小,磨损率较低。此外微动过程中频率及循环次数对DLC薄膜微动磨损也有显著影响,尤其频率加速DLC薄膜石墨化进程。(4)DLC油润滑条件:小载荷或大位移幅值下,此时DLC薄膜表面形成弹性流体动压润滑油膜,润滑形式为弹性流体动压润滑。大载荷或小位移幅值下,DLC薄膜表面无法形成弹性流体动压润滑油膜,润滑形式为边界润滑。此时DLC薄膜的固体润滑作用和液态油膜的边界润滑相结合,也能改善DLC薄膜微动摩擦学性能,这归因于协同润滑机制。(5)基于实验研究,本文建立了微动磨损的有限元模型。该模型基于摩擦耗散理论,通过有限元软件Abaqus和Fortran编写的Umeshmotion子程序交互,计算TC4钛合金的磨损量。有限元数值模拟计算中,使用微动磨损实验获得的能量磨损系数和动态摩擦系数,计算出TC4钛合金的磨损量。通过与实验结果进行对比,认为摩擦耗散能理论及有限元模型具有一定程度的可靠性,能为TC4钛合金的微动磨损预测提供可靠的结果。


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