摩擦配副和摩擦參數對TC29鈦合金摩擦磨損性能的影響

應 揚， 杜 宇， 李 婷， 屈 磊， 李思蘭， 毛成亮

（西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016）

鈦合金屬于較輕的一類金屬，密度僅有鋼鐵的一半左右，但其強度足以與鋼媲美，擁有非常高的比強度。除此之外，鈦及其合金還有著優異的耐蝕性能、生物相容性、低溫性能等一系列特性。因此，鈦及鈦合金雖然自工業使用僅有幾十年的歷史，卻迅速在航空航天、海洋艦船、生物醫用等領域取得了十分廣泛的應用[1-4]。然而，由于鈦合金低的塑性剪切抗力、微弱的加工硬化能力以及表面氧化膜低的保護作用[5-8]，當被使用于摩擦工況下時，其表面很容易發生摩擦損傷而失效。這一性能短板限制了鈦及其合金在摩擦工況下的使用。

TC29鈦合金是西北有色金屬研究院自主研制的一種低成本鈦合金，具有比航空結構用TC11鈦合金更加優異的綜合性能，然而，其摩擦磨損性能依然未能明顯改善[9]。本研究旨在通過對比TC29鈦合金在TC29鈦合金和GCr15鋼兩種摩擦配副及不同的摩擦參數下的磨損行為，研究TC29鈦合金的摩擦磨損性能，為改善鈦合金的摩擦磨損性能提供參考。

1 實驗方法

摩擦磨損實驗在MMG-500型銷盤式摩擦磨損實驗機上進行，實驗示意圖如圖1所示。將TC29鈦合金加工成5 mm×5 mm×15 mm的銷試樣，摩擦配副為Φ44 mm×8 mm的GCr15鋼磨盤及TC29鈦合金磨盤。實驗所用GCr15鋼為淬火回火態，表面洛氏硬度為53；TC29鈦合金為固溶時效態，表面洛氏硬度為36。

圖1 摩擦磨損實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction and wear test

實驗開始前將銷試樣及對磨盤分別用200#、500#和1000#的SiC砂紙磨平，并使用丙酮進行清洗，烘干，測量并記錄待測銷試樣質量。然后將銷試樣和對磨盤安裝在摩擦磨損實驗機上開始實驗。實驗結束后，對銷試樣進行清洗、稱重。前后質量之差記為該試樣的磨損質量損失，以此來表征材料的摩擦磨損性能。調整實驗參數進行多組實驗，各組實驗參數設置如表1所示。

表1 摩擦磨損實驗參數Tab.1 Friction and wear test parameters

2 結果討論

將TC29鈦合金銷試樣分別與GCr15鋼和TC29鈦進行對磨，改變摩擦磨損實驗參數得到4組鈦合金磨損質量損失數據，結果如圖2所示。利用實驗過程記錄的摩擦因數原始數據繪制成圖3。從圖2和圖3可以看出：相同實驗參數下，TC29鈦合金在與GCr15鋼磨盤對磨時的磨損質量損失遠遠大于其與TC29鈦合金磨盤對磨時的磨損質量損失，而兩種摩擦配副下的平均摩擦因數基本相當，但TC29鈦合金/GCr15鋼摩擦配副下的摩擦因數變化更加平穩；在兩種摩擦配副條件下，TC29鈦合金銷試樣的磨損質量損失均隨著加載載荷和摩擦轉速的增大而顯著增加。

圖2 TC29鈦合金的磨損質量損失Fig.2 Weight losses of TC29 titanium alloy

圖3 不同摩擦配副下的平均摩擦因數Fig.3 Average friction coefficients under different friction pairs

2.1 摩擦配副對TC29鈦合金摩擦磨損性能的影響

從圖2的結果來看，TC29鈦合金的磨損質量損失受到摩擦配副的顯著影響：在相同的摩擦磨損實驗條件下，TC29鈦合金銷試樣與GCr15鋼對磨時的磨損質量損失大大高于其與TC29鈦合金對磨時的磨損質量損失。這說明TC29鈦合金銷試樣與GCr15鋼對磨時的磨損劇烈程度遠遠高于其與TC29鈦合金對磨時的磨損劇烈程度。

圖4是TC29鈦合金銷試樣分別與GCr15鋼和TC29鈦合金磨盤對磨后的磨損形貌圖。通過對比兩者的磨痕形貌可以看出：在TC29合金與GCr15鋼磨盤和TC29鈦合金磨盤的摩擦系統中，磨損損傷形式均包含犁溝痕跡、表層剝落、黏著痕跡；與TC29鈦合金磨盤對磨后的TC29鈦合金銷試樣表面損傷程度較輕，犁溝痕跡較淺，表層材料撕裂剝落的情況也輕微，因此磨損質量損失也較小；而與GCr15鋼磨盤對磨的TC29鈦合金銷試樣表面磨損損傷更加嚴重，表面存在更深的切削犁溝，摩擦面表層材料撕裂剝落的現象也更加嚴重，有比較多的材料從TC29鈦合金銷試樣表面磨損去除，致使TC29鈦合金試樣在與GCr15鋼磨盤對磨時的磨損質量損失更大。可見，在TC29鈦合金/GCr15鋼對磨系統中TC29鈦合金發生劇烈磨損，而在TC29鈦合金/TC29鈦合金對磨系統中只出現輕微磨損。

圖4 不同摩擦配副下TC29鈦合金銷試樣典型磨損形貌Fig.4 Typical wear morphologies of TC29 titanium alloy pin specimens under different friction pairs

TC29鈦合金銷試樣的摩擦磨損性能表現與摩擦配副材料的性質有緊密的聯系。根據干摩擦磨損相關理論[10-11]，摩擦配副表面硬度相差較大時，磨損機制以犁削為主，而當摩擦配副表面性質接近、潤滑較差的情況下其磨損機制表現為以黏著磨損為主。對TC29鈦合金/GCr15鋼來說，由于GCr15鋼的硬度較高，與TC29鈦合金銷試樣硬度相差較大，在載荷的作用下，GCr15鋼磨盤表層的一些硬質凸起和顆粒會壓入較軟的TC29鈦合金銷試樣表面一定深度，在隨后的摩擦過程中，對TC29鈦合金表面造成犁削損傷，表現為TC29鈦合金銷試樣表面出現具有一定深度的犁溝痕跡，同時犁溝之間的材料發生塑性變形凸起堆積，在后續的滑動摩擦過程中，這些堆積起來的材料又被壓平，反復多次后，材料表層萌生疲勞裂紋（如圖5所示），隨著摩擦過程繼續進行，裂紋沿平行表面方向擴展，達到一定長度后在黏著力和機械力的共同作用下以片狀磨屑方式從試樣上剝落[12]，從而對TC29鈦合金造成嚴重的摩擦損傷。磨損機制表現為以磨粒磨損和剝層磨損為主，并伴隨有少量的黏著磨損。對于TC29鈦合金/TC29鈦合金來說，TC29鈦合金磨盤試樣與TC29鈦合金銷試樣屬同種材質，表面性質相同，且TC29鈦合金表面易發生塑性變形，兩接觸面間易產生材料黏附，而銷盤材料硬度一致，在兩者滑動摩擦過程中，對銷試樣造成的犁削作用輕微，表層犁溝較淺，銷試樣的摩擦損傷方式主要為材料黏附力下的表層材料去除，對材料造成的摩擦損傷小，相應的磨損機制以黏著磨損為主，伴隨有輕微的磨粒磨損和剝層磨損。

圖5 材料表層萌生的微裂紋Fig.5 Micro-cracks initiating on the surface of material

對比不同摩擦配副下TC29鈦合金的摩擦因數可以看出：相同的實驗條件下兩種摩擦配副下其平均摩擦因數基本相當，但摩擦因數隨時間的變化規律卻不盡相同，TC29鈦合金/GCr15鋼相互摩擦時TC29鈦合金的摩擦因數變化平穩，TC29鈦合金/TC29鈦合金相互摩擦時TC29鈦合金的摩擦因數曲線呈現明顯的波動。這是由于TC29鈦合金/GCr15鋼對磨系統中兩種材料的硬度相差較大，對于材料硬度分布不均不太敏感，摩擦過程比較穩定，而TC29鈦合金/TC29鈦合金對磨系統中銷試樣和盤試樣硬度相當，因此當摩擦配副中出現硬質點時，容易引起摩擦因數的較大波動。

2.2 摩擦參數對TC29鈦合金摩擦磨損性能的影響

從圖2可以看出：對于確定的摩擦配副而言，當載荷不變，轉速增加時，TC29鈦合金的磨損質量損失在2種摩擦配副的條件下均隨載荷的增加明顯增加；當轉速不變，載荷增加時，TC29鈦合金磨損質量損失也隨之增加；當摩擦轉速和載荷均增加時，TC29鈦合金的磨損質量損失成倍增加。其他參數不變時，對磨轉速增加相當于對磨時的磨程增加，磨損損傷是一種累加損傷，在磨程增加的情況下，磨損量隨之上升；當其他參數不變時，載荷增加相當于加深了配副材料在摩擦時表層硬質點壓入對方材料的深度，導致在隨后的相對滑動過程中，TC29鈦合金材料的表層犁削程度加深，同時，犁溝加深引起試樣表層更多的塑性堆積及裂紋形成，并最終造成剝層磨損的加重，因此，磨損質量損失顯著增加。

兩種摩擦配副下TC29鈦合金的摩擦因數均隨載荷的增加出現比較明顯的減小，而轉速對其摩擦因數的影響較小。這是因為摩擦配副的表面通常處于彈塑性接觸狀態，實際的摩擦接觸面積與載荷不成比例關系，摩擦因數會隨著載荷的增大而減小。對于轉速而言，當其不足以引起摩擦表面層性質發生變化時，對磨轉速幾乎不會引起摩擦因數的變化[13]。

對比兩種摩擦配副系統在實驗參數2、3下的磨損質量損失可以看出，當使用TC29鈦合金銷試樣與GCr15鋼對磨時，增加載荷帶來的磨損損傷比增加轉速的更為嚴重，而使用TC29鈦合金銷試樣與TC29鈦合金磨盤對磨時，增加轉速帶來的磨損損傷比增加載荷的嚴重。如前所述，當TC29鈦合金與GCr15鋼對磨時，主要磨損機制為磨粒磨損，這種情況下載荷的增加加大了GCr15鋼磨盤表面硬質顆粒和凸起對TC29鈦合金銷試樣的壓入深度，因此，載荷的增加對以表層犁削為主要磨損方式的TC29鈦合金/GCr15鋼摩擦配副的磨損有更大的促進作用。而對TC29鈦合金/TC29鈦合金摩擦系統來說，其磨損機制以黏著磨損為主，當轉速增加時，材料黏附作用更加顯著，同時摩擦時產生了更多的熱量，也促進了摩擦配副之間的黏著磨損，因此，對于TC29鈦合金/TC29鈦合金摩擦配副而言，轉速的增加比載荷增加對磨損的影響效果更加顯著。

以上的實驗結果表明：針對不同的摩擦配副情況，當摩擦過程中的載荷和轉速增加時，都會造成材料摩擦損傷的加劇，但具體摩擦損傷的程度受摩擦配副情況以及相應的磨損機制影響。

3 結 論

（1）TC29鈦合金在不同摩擦配副下表現出不同的摩擦磨損性能，在與TC29鈦合金對磨時的磨損質量損失遠遠小于與GCr15鋼對磨時的磨損質量損失；TC29鈦合金與GCr15鋼對磨時磨損損傷嚴重，磨損機制以磨粒磨損和剝層磨損為主，與TC29鈦合金對磨時磨損輕微，磨損損傷小，磨損機制以黏著磨損為主。

（2）摩擦時的載荷和轉速對磨損質量損失的大小有著明顯的影響，載荷和轉速的增加均會引起材料磨損程度的大幅增加。對于以磨粒磨損為主要磨損機制的摩擦系統，增加載荷比增加轉速帶來的摩擦磨損程度更加顯著；對于以黏著磨損為主要磨損機制的摩擦系統，增加轉速帶來的摩擦磨損程度更加明顯。

對于不同的摩擦配副系統而言，磨損機制不盡相同，與此同時，摩擦磨損實驗參數對磨損過程產生的影響也隨磨損機制的不同而存在差別，實際生產設計中應根據具體情況選擇調整相應指標來達到提高或降低磨損的效果。