鈦基非晶復合材料磨損性能研究與實驗

王東斌

（江蘇安全技術職業學院機械工程系，江蘇徐州221000）

0 引言

航空航天材料需要較高的強度和硬度，還要具有較好的耐磨性能，以至于大量復合材料得到廣泛的應用。鈦基非晶復合材料抗拉抗壓，可塑性強，表現出優異的綜合力學性能，在飛行器組件、機身機翼材料、航空發動機材料等領域有非常大的應用潛力和價。目前，隨著增材料技術，3D打印等技術越來越成熟，對非晶復合材料熔煉工藝要求也越來越高，能夠不斷改善鈦基非晶復合材料的綜合性能[1]。文章主要通過對鈦基非晶復合材料制備實驗，利用XRD分析材料在不同載荷下其摩擦系數的變化趨勢與規律。

1 試驗材料與方法

1.1 鈦基非晶復合材料的制備及表征方法

在制備之前，首先將各種金屬原料用銼刀和砂紙去除表面的氧化膜，配比Ti40Ni40Cu20的組成原料為純度99.9%的Ti、Cu、Ni金屬粉末。根據原子比用電子天平稱量3次取平均數，取精度為±0.001 g；再將取樣金屬用無水乙醇清洗后吹干放入真空試樣袋，準備后續真空電弧熔煉。

實驗采用型號為WKDHL-2真空電弧爐水冷銅模鑄造法制備非晶復合材料，這種熔煉方法安全可靠，能夠保證非晶復合材料晶體相成分和組織的均勻，為后續XRD分析提供準確數據依據。先將真空爐清洗干凈確保無其他雜質，再將金屬原料放入爐內坩堝中。各類金屬熔點不一樣，高溫下低熔點金屬在容易揮發產生飛濺，各類金屬不可隨意放置務必按照熔點逐步放置，同時放置高純鈦錠可以吸收爐內游離氧氣確保熔煉金屬的穩定性。這樣重復熔煉3次后才可進行吸鑄，吸鑄過程選取板材模具尺寸長70 mm、寬10 mm、厚2 mm，之后將吸鑄形成的母合金鑄錠切成眾多的小塊形結構以備實驗。

目前常用X射線衍射儀圖譜儀研究各類材料晶體的微觀結構測定，研究復合材料物相、晶體結構、分子成鍵方式等。本實驗使用型號為布魯克D8 ADVANCE型，角度重現性±0.0001°，測角儀半徑≥200 mm，測角圓直徑可連續變，廣角衍射最低角度可以達到5°，可以精確接收到小于10°的衍射峰。測試硬度用維氏顯微硬度儀型號為HVS-1000，用100 g的載荷保載10 s測得硬度值。使用掃描電鏡（SEM）對合金樣品表面進一步研究分析，實驗采用ESCALAB250型多功能表面測試系統能夠清楚地觀測和記錄樣件原始形貌、孔隙大小、晶界等微觀特征。

1.2 摩擦磨損性能測定

利用線切割機對吸鑄完成后的樣品進行處理，得到尺寸為長10 mm、寬10 mm、高2 mm的長方體，把樣件打磨并拋光后再放入無水乙醇中超聲清洗4～5次用吹干后干燥放置。磨損試驗設備為MFT-R4000球盤型往復摩磨試驗機，具體工作原理如圖1所示，對磨材料為直徑5 mm的GCr15鋼球。同一樣件依次選取四種不同的法向載荷，分別為3 N、5 N、10 N、15 N，固定振幅5 mm，測試頻率為2 Hz，測試時間為30 min.

圖1 磨損試驗機的工作原理圖

2 結果分析

2.1 XRD分析

非晶復合材料室具有的室溫脆性和應變軟化的缺點，為改善這類缺點可以加入韌性晶體延緩主剪切帶快速擴展，熔煉制備出高強度高韌性的非晶復合材料。X射線衍射儀測試結果如圖2所示。形成了3個寬泛的XRD漫散衍射峰及3個尖銳衍射峰，非晶相與結晶相共同組成結構明顯，顯微硬度測試為628HV，滿足高硬度要求。

圖2 鈦基復合材料的XRD圖

2.2 摩擦系數分析

實驗選取3 N、5 N、10 N、15 N四種不同的法向載荷條件下進行摩損測試，測試摩擦系數變化如圖3所示?？傮w上隨著載荷的增大，摩擦系數曲線的有先減小后增大的趨勢，在載荷為10 N時獲得較小的摩擦系數。在3 N、5 N、10 N載荷較小的試驗中磨損表面由于積聚大量熱量形成一定厚度的氧化膜，隨著磨損加劇，氧化膜不斷撕裂后又形成新的氧化膜，增大載荷后摩擦熱積聚加速，氧化膜撕裂與形成的速率加快，從而形成的摩擦系數曲線幅度隨著載荷增大而減小。當載荷達到10 N與15 N的情況下，非晶復合材料樣件摩擦系數出現先延長下降，之后再趨于穩定的趨勢，這是因為載荷增大到一定程度時磨損處表面氧化膜積累到一定厚度形成隔離層，與GCr15鋼球間減少了直接接觸面積。

圖3 不同載荷條件下鈦基非晶復合材料的摩擦系數動態變化

2.3 不同載荷下的摩擦系數和磨損率分析

如表1是3 N、5 N、10 N、15 N四種不同的法向載荷條件下樣件的磨損率、摩擦系數實驗測得數據。數據說明在載荷增大的情況下，材料表面反復磨損，磨屑掉落增多劃痕加劇，時間越久磨屑越多，導致表面粗糙度增大，摩擦系數變大。隨著載荷再次增大，試樣的磨損率表現為先隨載荷增大而下降，并在載荷達到10 N時到達2.68 × 10-4mm3/（N·m）的最小值。

表1 鈦基非晶復合材料在不同載荷下的摩擦系數和磨損率

圖4顯示3 N、5 N、10 N、15 N四種不同載荷條件下的磨痕掃描圖像。在3 N時，樣件磨損部位放大至10 μm狀態可見形成了較多散亂磨屑。載荷增至10 N時，樣件表面磨屑數量及大小相對減少，出現了明顯的深溝槽痕跡，磨損情況加重。載荷增至15 N時，試樣表面磨痕區的深溝槽較前觀測減輕。這是由于摩擦過程中摩擦熱產生的氧化膜強度和塑性較差，破損后沒有發生黏聯，降低了摩擦系數。

圖4 復合材料基于不同載荷的磨痕掃描圖像

3 結論

在摩擦過程中非晶復合材料受摩擦力作用發生變形，在磨損表面形成層狀結構，并且在磨損表面有明顯的犁溝，是典型的磨粒磨損特征。在不同載荷條件下，復合材料試樣的磨損率表現為先隨載荷增大而下降，之后又重新增大的變化趨勢，這是由于摩擦熱的積累并生成氧化膜，使玻璃基體發生軟化過程，使得鈦基復合材料磨損率呈現隨載荷增加而表現為先降低后增大的變化趨勢。