航空海洋工程用钛合金棒的磨损性能分析

钛合金材料磨损是指相互接触的物体彼此在做相对运动时，表层的材料不断发生损伤、相互转移或者产生残余变形的过程，它是伴随着摩擦而产生的必然结果。据统计，机械零件的失效主要有磨损、断裂以及腐蚀等三种方式，而其中由于磨损而失效的己占到了60％一80％。据美国评议局的报告，由丁磨损而造成的损失，飞机约为134亿美元，船舶约为64亿美元，汽车约为400亿美元。2004年末，在中国召开的“摩擦学科与工程前沿研讨会”的数据表明，中国每年由于摩擦磨损而造成的损失可达600亿元，仅全国工矿企业在这方面的节约潜能就约为400亿元。可见，由摩擦磨损所造成的经济损失是非常严重的。因此，材料的摩擦磨损问题引起了全世界的广泛关注，各国都在积极努力地开展摩擦磨损的研究和应用。

在过去的几十年里，有关俐的摩擦磨损研究已经有了大量的报道。人们不仅研究了工况条件(温度、载荷、滑动速度)对钢磨损性能的影响，而且还研究了显微组织对钢磨损性能的影响。对钢的摩擦磨损行为和磨损机制有了全面和深入的了解。对于钛合金的摩擦磨损仅仅局限在室、温条件下以及经过表面改性处理后的钛合金的摩擦磨损性能研究，而对严酷工况条件下钛合金自身的摩擦磨损研究却少有报道，这使得人们对钛合金在严酷工况条件下的摩擦磨损行为和机理缺乏系统和全面的认识。因此，长期以来，人们对钛合金的摩擦磨损一直吲守着传统的观点：钛合金具有极差的耐磨性。

为了更好地了解钛合金的摩擦磨损行为和磨损机理，扩大钛合金的应用范围，科辉钛业将双相(a+13)钛合金TC4和TCll在不同摩擦体系和不同工况条件下的磨损行为及磨损特征。采用扫描电镜(sEM)、能谱仪(EDS)以及x射线衍射分析仪(XRD)等分析手段观察和测试1r钛合金的磨面、剖面和磨屑的形貌以及磨面成分及结构，深入探讨了这两种钛合金与不同对磨材料对磨时在不同环境温度以及载荷条件下的磨损机理，重点研究了钛合金的摩擦层和摩擦氧化物及其作用机理。本研究不仅丰富1r金属磨损理论，也为钛合金在滑动磨损工况下的应用及磨损控制提供了科学依据和理论储备，具有极其重要的科学意义和工程应用价值。

钛合金棒因优异的性能而得到了广泛的应用，然而其公认的低滑动耐磨性，严重阻碍了其应用。同时，对钛合金棒自身滑动磨损的研究极其有限，到目前为止，仍然对钛合金棒滑动磨损行为和磨损机制缺乏全面和深入的了解。因此，研究钛合金棒的干滑动磨损行为和磨损机制具有重要的理论意义和实用价值。结合TC4和TCll两种典型钛合金棒在不同工况条件和对磨材料下的磨损行为和磨损性能。采用SEM、EDS和XRD等对磨损表面、剖面和磨屑的形貌、成分和结构进行了全面的观察和测试，探讨了钛合金棒的磨损机制，重点研究了钛合金棒的摩擦层和摩擦氧化物及其对磨损行为的影响和作用机理。

结果表明，两种典型钛合金棒的磨损行为具有共性。当温度为25℃~300℃时，大多数情况下，磨损率均随载荷的增加而增加。400℃磨损率降低，且在50．250N时随载荷的增加略有波动；少数情况下在250N磨损率突然大幅增加。在500℃．600℃，除钛合金棒／W6M05Cr4V2体系巾500℃、250N外，磨损率均大幅降低，且达到极低的值。高温下，TCl l合金的磨损率低于TC4合金的。更重要的是，两种典型钛合金棒随着温度增加均发生严重．轻微磨损转变，这明显不同于钢和其它金属合金。钛合金棒在临界条件以下具有差的耐磨性；而在临界条件以上具有优异的耐磨性。同时发现，对磨材料对钛合金棒的磨损率有显著影响，但对磨损机制的影响相对较小。在400℃~600℃，在钛合金棒／w6M05Cr4V2体系中钛合金棒的磨损率高于钛合金棒／GCrl5体系中的磨损率。

钛合金棒的磨损机理随工况条件的改变而变化。在25℃~300℃，大多数载荷条件下，磨损机理以粘着磨损和磨粒磨损为主；在400℃，大多数磨损机理为粘着磨损、磨粒磨损和氧化轻微磨损共存；少数情况下，磨损机理为粘着磨损、磨粒磨损和塑性挤出磨损；在500℃一600℃，大多数载荷条件下，磨损机理为氧化轻微磨损；少数载荷条件下，磨损机理为粘着磨损、磨粒磨损和塑性挤出磨损。

研究发现，钛合金棒在干滑动磨损巾，摩擦层一直存在于钛合金棒的磨损表面，但摩擦层的成分、结构随工况条件而变，故在磨损中作用不同。摩擦层是否具有保护或减磨作用取决于摩擦层的数量、致密度和摩擦氧化物的含量。随着温度增加，摩擦层和摩擦氧化物增多，致密的摩擦层开始起到减磨作用。对于钛合金棒，摩擦层可区分为两类：无氧化物的摩擦层(no—oxide tribo—layer)和氧化物摩擦层(tribo．oxidelayer)。在较低温度，无氧化物或含微量氧化物的摩擦层，无减磨作用；在较高温度，含少量摩擦氧化物的摩擦层具有一定程度的减磨作用；在更高温度，含大量摩擦氧化物的摩擦层具有完全保护作用。结果表明，硬的对磨材料导致摩擦氧化物层不能稳定存在，因此，对于钛合金棒／钢摩擦体系，轴承钢GCrl 5比高速钢W6M05Cr4V2更适合于做对磨材料。可以认为，钛合金棒和GCrl5钢组成的滑动副是一种理想的高温摩擦副。