TC17鈦合金切向微動磨損特性研究

摘要：基于自主研發的多模式微動－滑動磨損試驗機，進行了GH4169鎳基合金球/TC17鈦合金的切向微動磨損實驗，從材料微動運行特性、磨痕微觀形貌、磨損量和磨痕化學成分四個維度揭示了法向載荷對TC17鈦合金微動磨損行為的影響。結果表明：隨著法向載荷的增加，微動運行區經歷了從完全滑移區到混合區再到部分滑移區的轉變過程。在部分滑移區，材料損傷輕微，主要為黏著磨損、剝層和氧化磨損；進入混合區后，損傷加劇，出現塑性變形和大量剝落形貌等，主要為剝層、磨粒磨損和氧化磨損；至完全滑移區，損傷最為嚴重。損傷機制與摩擦副接觸狀態緊密相關，涉及剝層、磨粒磨損和氧化磨損等多種磨損形式。

關鍵詞：TC17鈦合金；微動磨損；磨損機制；法向載荷

中圖分類號：TH117.1"""""""""""""""""""" 文獻標志碼：A"""""""""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.02.009

文章編號：1006-0316 （2025） 02-0066-08

Study on the Tangential Fretting Wear Characteristics of TC17 Alloy

PENG Jinbo1，HU Xia2，LI Zhenxin3，YE Shouzhi1，HUANG Yincong3，XIE Wenxin3

（ 1. AECC Aero Science and Technology Co.， Ltd.， Chengdu 610500， China;

2. Sichuan State-owned Assets Investment Management Co.， Ltd.， Chengdu 610071， China; 3. State Key Laboratory of Rail Transit Vehicle System， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：The tangential fretting wear experiments of GH4169 nickel-base alloy ball / TC17 titanium alloy were conducted using a self-developed multi-mode fretting and sliding wear testing machine. The effects of normal load on the fretting wear behavior of TC17 titanium alloy were investigated from four perspectives， including fretting characteristics， wear micromorphology， wear amount， and wear chemical composition. The results demonstrate that as the normal load increases， the fretting regime gradually transitions from slip regime （SR） to mixed fretting regime （MFR） and eventually stabilizes in partial slip regime （PSR）. In the PSR， there is minimal material damage characterized by adhesive wear， peeling， and oxidation wear. Upon entering the MFR， damage intensifies with plastic deformation and significant spalling morphology observed primarily through peeling layer formation along with abrasive and oxidation wear mechanisms. The most severe damage occurs in the SR. This damage mechanism is closely associated with the contact state between friction pairs involving various forms of wearing such as layer stripping， abrasive wear， and oxidation.

Key words：TC17 titanium alloy；fretting wear；wear mechanism；normal load

微動是指在振動工況引起的交變載荷下兩個赫茲接觸的彈性體之間發生微米級位移的相對滑移現象[1-2]。由微動引起的微動磨損廣泛存在于重大設備的關鍵配合面中，例如輪對－車軸的配合面處，極大影響了零部件的服役性能和疲勞壽命[3-4]。

鈦合金憑借其高強韌性和高耐腐蝕性，在航空航天、醫療器械等多個行業內都發揮著舉足輕重的作用[5-8]。然而，鈦合金抗微動磨損能力差[9]，使其在工業領域的運用受到一定的限制。南榕等[10]總結了影響鈦合金微動磨損的主要因素，包括力學因素和環境因素。其中在力學因素上，柏林等[11]發現微動振幅和法向載荷對TC4-DT和TC21鈦合金微動磨損機制影響顯著。除此之外，王劍飛[12]發現微動磨損過程中產生的松散磨屑會影響TC4合金微動磨損行為，造成摩擦系數和系統形變量的變化。

針對鈦合金的微動運行特性，可以從三個方面提高鈦合金抗微磨損性能[13]：合理搭配摩擦副、優化結構設計和表面處理技術。對于不同磨損機制需要采用不同的優化措施。本文以TC17鈦合金為研究對象，從材料微動運行特性、磨痕微觀形貌、磨損量和磨痕化學成分四個維度，系統研究不同法向載荷下TC17鈦合金的切向微動運行特性以及對應的磨損機制。

1 微動磨損實驗

1.1 試樣制備

試驗材料為20 mm×15 mm×8 mm的TC17鈦合金塊狀試樣，其硬度測試結果為409HV0.3。結合實際的服役條件和硬度匹配原則，選擇Φ10 mm的GH4169鎳基合金球（硬度為460HV0.3）為上摩擦副。兩種材料的主要化學成分如表1所示。TC17合金試樣采用SiC金相砂紙打磨表面，隨后在自動拋光機上用粒度1 μm的金剛石拋光膏和50 nm的二氧化硅懸浮液將試樣表面打磨至鏡面光滑，粗糙度降低至0.02 μm。實驗前將試樣置于酒精中進行超聲清洗，隨后吹干。

1.2 試驗過程

基于課題組自主研發的多模式微動－滑動磨損試驗機，采用球/平面接觸的切向微動模式進行微動磨損試驗，試驗參數如表2所示。

微動磨損試驗后，通過掃描電鏡（SEM，JSM-6610，JOEL，Japan）觀察TC17試樣磨痕表面的磨損形貌并使用配套的能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）檢測磨痕化學成分。通過3D光學輪廓（GTK-16-0295，Bruker，

Germany）確定磨損表面形貌參數，包括最大磨損深度和磨損體積。通過引入磨損率進一步衡量摩擦副間的磨損程度，計算為：

（1）

式中：為磨損率；V為磨損體積；S為單個循環的滑動距離。

通過計算各Ft-D曲線（Ft為切向摩擦力）的面積得到摩擦耗散能，等效摩擦系數（Coefficient of Friction，COF）計算為：

（2）

式中：為等效摩擦系數；為摩擦耗散能。

2 試驗結果及分析

2.1 微動運行圖

微動磨損主要受位移幅值、法向載荷、頻率、材料性質和外界環境這五個方面的影響[14]。其中，位移幅值和法向載荷的影響作用最為顯著。通過這兩個基本參數繪制得到微動運行工況圖，如圖1所示。

可以看出，由左向右微動運行區依次為部分滑移區、混合區和完全滑移區。其中部分滑移區和完全滑移區占據大部分，僅中間過渡位置存在混合區。位移幅值一定時，隨著法向載荷的增大，TC17鈦合金的微動運行區經歷了從完全滑移區到混合區再到部分滑移區的轉變過程。相反，若保持法向載荷不變，位移幅值的增大則會使TC17的微動區域由部分滑移區逐步擴展至混合區，并最終演變為完全滑移區。

2.2 微動運行特性分析

Ft-D-N曲線作為最基本且最關鍵的微動磨損動力學響應信息，能夠實時映射出試驗過程中接觸中心的狀態及其演變過程[14]。如圖2所示，當D＝30 μm時，隨著法向載荷的增加，磨損穩定階段Ft-D曲線的形態從初始的平行四邊型逐漸轉變為橢圓型，最終轉變為直線型，表明微動運行區從完全滑移區過渡到混合區乃至部分滑移區。

為進一步分析TC17合金微動磨損的動力學響應，將試驗采集到的摩擦系數繪制成時變曲線如圖3所示。當D＝30 μm時，隨著法向載荷的增加，摩擦副接觸界面的接觸應力隨之增加，相對滑移減小，摩擦系數呈現先上升后下降的趨勢。當Fn＝10 N、20 N時，TC17的微動運行工況處于完全滑移區。在此階段可以將其摩擦系數曲線細分為四個階段[15]：兩體接觸階段、三體接觸階段、磨屑演化階段以及穩定磨損階段。在磨損初期，試樣表面光滑且存在氧化膜的保護，摩擦系數低。隨著氧化膜被破壞后，TC17鈦合金和GH4169鎳基合金直接接觸，因對磨副材料硬度更高，TC17表面易劃傷，導致接觸中心粗糙度增大，摩擦系數上升。在后續循環中，接觸表面發生剝層損傷以及對磨副發生材料轉移，接觸界面出現第三體并起到滾珠效應和隔絕作用[16]，導致摩擦系數短暫降低。隨著磨屑排出接觸界面，摩擦副恢復為二體接觸為主導的狀態，摩擦系數因此逐漸增大。在磨屑演化階段，摩擦系數呈上升趨勢并伴有持續波動。當損傷區形成緊密的磨屑層時，摩擦系數趨于穩定。當Fn＝30 N時，材料微動運行工況處于混合區。在前期約100次循環中，受到接觸區表面平整度和氧化膜破壞的影響，摩擦系數呈現逐漸上升的趨勢。隨著循環次數的增加，材料剝層損傷加劇，摩擦副的接觸形貌不斷變化，導致摩擦系數呈上升趨勢且波動不斷。當接觸表面形成穩定的第三體磨屑層后，摩擦系數開始趨于穩定。當Fn＝40 N、50 N時，材料微動運行于部分滑移區，摩擦系數達到穩定的時間較少且處于穩定階段的循環中摩擦系數波動很小。這主要是因為部分滑移區以彈性協調為主[17]。

2.3 磨損形貌分析

當D＝30 μm時，TC17鈦合金在不同法向載荷下的SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電鏡）圖像如圖4所示。

結合圖1的微動運行工況圖可知，圖4（a）～（c）的微動運行工況為完全滑移區，而圖4（d）和（e）分別為混合區和部分滑移區。當微動處于完全滑移區和混合區時，材料損傷嚴重。試樣表面存在緊密的磨屑層，這是由在接觸中心堆積的第三體磨屑顆粒在往復的微動磨損過程中不斷被壓緊堆積形成的[18]。當微動處于部分滑移區時，材料損傷輕微，磨痕中心存在大量撕脫導致的剝層損傷，在靠近磨痕邊緣的區域，可以觀察到較多翹起的大塊片狀基材，材料的損傷機制主要為剝層和黏著磨損。試樣浸泡在丙酮溶液中超聲清洗15 min后，完全滑移區的磨損主要由磨痕中心的剝層坑和磨痕邊緣的犁溝以及輕微的片狀剝層所組成[19]，材料的損傷機制主要為磨粒磨損和剝層。如圖5（d）所示，混合區的磨痕上存在大量呈階梯狀的剝層形貌，在磨痕邊緣局部區域存在塑性變形，材料的損傷機制主要為剝層，伴隨著輕微磨粒磨損。

2.4 磨損量分析

不同法向載荷下的磨損量如圖5所示，當D＝30 μm時，隨著法向載荷的增加，接觸界面的切向剛度提高，相對滑移減小，同時接觸中心的接觸應力增大，造成材料的損傷程度呈現先增加后降低的趨勢。圖5（a）為不同法向載荷下材料的最大磨損深度示意圖，當Fn＝40 N時，磨痕的磨損深度最大，達到了13.69 μm。圖5（b）為不同法向載荷下材料的磨損體積與磨損率圖，隨著法向載荷從10 N增加到30 N，磨損中心的接觸應力增大，導致磨損體積呈顯著增加趨勢，當法向載荷進一步增加至40 N時，材料磨損體積略微降低。

結合圖2（a）可知，當法向載荷從30 N增加至40 N時，材料微動運行區間由混合區轉變為部分滑移區，摩擦副之間的相對滑移明顯減小，在磨損穩定期Ft-D曲線由象征塑性變形為主的橢圓型轉變為類直線型，材料磨粒磨損減輕，剝層加劇，從而導致磨損量降低。當Fn＝50 N時，微動運行于部分滑移區，磨損體積相較于完全滑移區和混合區明顯降低。當微動運行于完全滑移區間，與磨損體積的變化趨勢不同，磨損率呈現先明顯增加后略微降低，根據磨損率的定義可知[20]，磨損率受到法向載荷、位移幅值和試驗循環次數的影響。隨著法向載荷的增加，磨損體積增加，但增加幅度逐漸減緩，導致磨損體積和磨損率隨法向載荷的變化曲線有所不同。

2.5 化學成分分析

TC17鈦合金在不同法向載荷下磨痕X射線能譜（EDS）分析結果如圖6、表3所示，其中強度是指SEM采集到的特征X射線光子數量。可以看出，當微動處于完全滑移區和混合區時，磨痕中心均存在大量的Ni、O元素以及微量的Ti元素，磨痕邊緣存在大量的Ti、O元素以及微量的Ni元素。同時磨痕中心的氧元素含量明顯高于邊緣，可見磨痕中心發生了嚴重的材料轉移現象，以及嚴重的氧化磨損；磨痕邊緣同時也存在較為嚴重的氧化磨損以及輕微的材料轉移。當微動處于部分滑移區時，由Hertz接觸理論[21]可知，摩擦副以球/平面運動時，接觸區的應力分布不均勻，接觸中心應力值顯著大于邊緣，導致當接觸中心處于黏著狀態時，接觸邊緣已存在相對滑移現象，磨痕邊緣存在明顯的氧化反應和材料轉移現象，磨痕中心則損傷輕微。

3 結論

（1）隨著法向載荷的增大，TC17鈦合金的微動區域從完全滑移區逐漸過渡到混合區，最終穩定在部分滑移區。摩擦副兩接觸體的摩擦系數分別呈先上升后下降的變化趨勢。

（2）法向載荷對TC17鈦合金的損傷機制有顯著影響。當法向載荷較大時，微動運行于部分滑移區，磨損機制主要為黏著磨痕；當法向載荷減小時，微動轉變為混合區，磨損機制主要為剝層，伴隨著輕微的磨粒磨損；當法向載荷較低時，微動運行于完全滑移區，磨損機制主要為磨粒磨損和剝層。

（3）當微動運行于部分滑移區時，磨損邊緣存在嚴重的氧化磨損和材料轉移現象，磨損中心損傷輕微；當微動運行于混合區和完全滑移區時，磨痕中心存在嚴重的氧化磨損和材料轉移現象，磨痕邊緣相對輕微。

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