TC21钛合金微动磨损特性的研究

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微动磨损是存在于名义上相对静止”紧配合的接触表面之间的-种损伤形式，为两个相互接触表面在-定的法向载荷作用下发生微米量级振幅的相对运动，接触表面发生的磨损破坏现象Lj ]。微动磨损是工程中普遍存在的-种损伤形式，尤其是在航空领域的紧配合部件中，已成为-些关键零部件失效的主要原因之-l1]。

钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性及高温力学性能优异等优点，在军民用飞机结构上的用量不断增大，其使用量已成为衡量飞机先进性的重要指标之-3]。但钛合金耐磨性能差，对微动损伤十分敏感，研究表明微动作用通常使钛合金疲劳极限降低 2O ～50 ，如 Ti6A14V合金微动疲劳极限下降幅度甚至高达 62 5]。这对飞行器的长寿命、高可靠性构成了极大的挑战。为此国内外对微动损伤已经有不少研究[6-12]。1995年沈桂琴等研究了 TC4合金的微动磨损特性并提出了防护方法1胡；2005-2007年鹅燕等研究了TCII合金在水介质和海水介质中的微动磨损特性[1 ；201 1年张亚非等研究了TC16的微动磨损特性[1 。TC21是- 种新型的损伤容限型钛合金，在军民用飞行器中的使用量和作为结构关键件的比例逐渐增大，微动损伤问题逐渐突出，已成为影响飞机安全的重大隐患，因此有必要深入研究TC21钛合金的微动磨损特性。本工作采用正交实验研究室温大气环境下法向载荷 F 、微动振幅D、微动频率 .厂等影响因子对 TC21合金微动磨损特性的影响，为相关结构设计和表面防护提供支持。

1 实验1.1 实验材料微动磨损实验在 SRV-VI微动摩擦磨损试验机上完成，采用圆柱/平面接触方式。圆柱试样材料为 0Crl3NiSMo2A1钢，几何尺寸： -6 mm，l16 mm，Ra≤O.8 m。平面试样国家自然科学基金(50872053)柏林：男，1984年生，硕士，工程师，主要从事航空金属材料的应用研究 Teh028-65020461 E-mail：fghbailin###yahoo.com.cn· 80 · 材料导报 B：研究篇 2013年 5月(下)第 27卷第 5期材料为TC21钛合金，几何尺寸：-2O mm，6-10 mm， -7 mm，R口≤1.6 m。试样用丙酮超声波清洗 2O min并烘干后固定在夹具上。

1.2 实验设计影响微动磨损的因素多达 28项，并存在复杂的交互作用 ，其中法向载荷、微动频率、微动振幅的影响尤为重要。

为此结合摩擦副实际工作条件，选定每个因子的实验范围，法向载荷 F ：25i00 N；微动频率 f：i040 Hz；位移幅值D：50400 m；实验在室温大气环境中完成。正交设计的因素水平表见表 1。

表 1 正交设计的因素与水平表Table 1 Values of factor and level used inorthogonal design用三维非接触表面形弥析仪(ADE)测量磨损量，用扫描电子显微镜观测磨痕形貌。

2 结果与讨论2.1 因素影响的显著性实验根据所确定的3个因素和 4个水平，选用 L 。(4 )正交表，实验过程的安排与数据记录见表2。

图 1为不同实验条件下(1-16号)钛合金试样磨痕的光学显微形貌照片。图 1显示实验均获得了均匀完整的磨痕，其中第 4、7、10组条件下试样的磨痕面积较大，其每周次的磨损量分别达到 8.62×10 mm。、8.09×lO mm。和9.05×10mm 。第 16组条件下试样的磨痕较小，其每周次的磨损量仅为 0.015×10 mm。。

方差分析如表 3所示。首先将表 2中的 4(e)、5(e)两空白列的偏差平方和相加作为误差的偏差平方和e。

给出检验水平 a，以 F (， ， )查 F分布表( 为各实验因素的自由度，。为误差的自由度)，比较 F值与F (fl，f2)值，进行显著性检验，若 F>Fo.。 (厂l，，2)，说明影响高度显著，记为”；若 .。 (-厂1，厂2)≥F>Fo。s( ，f2)，说明影响显著，记为”；若 Fo.。 (-厂 ，-厂2)≥F>F 。( ，f2)，说明有影响但不显著，记为”；F≤F0. 。(厂 ， )，说明影响不大或没有影响，不作记号。

方差分析表明，微动振幅对钛合金 TC21微动磨损的影响高度显著；法向载荷对钛合金 TC21微动磨损的影响显著；微动频率对钛合金 TC21微动磨损有影响但不显著。

2.2 摩擦系数的变化规律图 2(a)、(b)、(c)、(d)分别为第 4、7、1O、13组实验编号(表 2)对应条件下实验中摩擦系数随时间的变化曲线。由图2可以看出，在微动过程中摩擦系数呈现出阶段性变化，初始阶段(跑合阶段)由于表面膜的存在，曲线中的摩擦系数均较低。若干循环后，微动作用使表面膜受到剪切和挤压而破裂，使新鲜金属外露，粘着倾向迅速增大，使摩擦系数上升。

随后在磨损和氧化交互作用下产生磨屑，使表面接触状态由磨损二体向磨损三体转变，摩擦系数变化趋于平稳。这可能是磨屑的产生与溢出速率达到动态平衡的结果。摩擦系数的变化幅度随着微动频率的增加逐渐减小，这是由于微动往复运动中原表面氧化膜破裂后裸露于空气中的钛合金基体能够重新发生氧化生成新的氧化膜，微动频率越低，可用于再生和修复的时间越长，则氧化膜越厚，导致摩擦系数的变化幅度较大。

表 2 正交实验方案及实验结果Table 2 Design scheme and results of experiment注：当 -1时，Ij是 1(，)-列中 ：l时所有磨损量之和，以此类推算出j2、3、4的I J，同样原理算出1 、Ⅲ 、Ⅳ表 3 方差分析结果汇总Table 3 Summary of variance analysis注 ：Fo.o1(3，6)9.78，F0.05(3，6)-4.76，F0 1o(3，6)-3.29。

R -I J I 。HI，。Ⅳ 。，同理算出每列的Rj。。5，Rj。/4-(CT) /16，CT是表格 e全部磨损量之和。厂-n-13(”为水平数)，VS/f，F- / ( 表示实验值，e表示误差)介孔氧化铝制备及对正丁烷吸附性能的研究/张晓阳等 · 1O3 ·时间/rain图8 不同比例样品对正丁烷的吸脱附曲线Fig.8 Adsorption/desorption curves of samples synthesizedwith different ratio of aluminum source and template3 结论(1)通过溶胶-凝胶法，以异丙醇铝为铝源，糖类为模板剂可以制备具有介孔结构、蜂窝状孔的 Al O。。

(2)以蔗糖为模板剂制备的样品在介孔尺寸下具有更宽的孔径分布，对正丁烷的吸附性能是ASu-I>ASt-I>AG1-1。

(3)以蔗糖为模板剂合成的样品，其吸附性能随着铝源与蔗糖比例增加有增长的趋势，ASu-2具有最好的吸脱附性能 。