發(fā)布日期：2024-4-10 14:48:17
鈦合金因其密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕等方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域[1-2]。TC11鈦合金具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能，可在高溫的環(huán)境中長(zhǎng)期工作，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)、葉片等[3]。鈦合金屬于航空難加工材料，其切削加工性能相對(duì)較差，目前加工刀具主要為高速鋼或硬質(zhì)合金，在高速切削時(shí)磨損速度加快，限制切削效率的提升。為減少刀具磨損，提高其耐用度，就需從刀具-工件摩擦副的摩擦學(xué)特性入手，研究刀具磨損機(jī)理。
國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者圍繞刀具磨損機(jī)理開(kāi)展了相關(guān)研究，劉鵬博士從摩擦學(xué)特性入手，研究了超硬刀具高速銑削鈦合金的磨損機(jī)理，結(jié)果表明硬質(zhì)合金刀具主要表現(xiàn)為磨粒磨損、嚴(yán)重的粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損[4]。范依航等[5]研究了硬質(zhì)合金刀具干切鈦合金Ti-6Al-4V時(shí)的磨損行，結(jié)果表明在切削過(guò)程中刀-屑接觸面伴隨著嚴(yán)重的黏結(jié)、擴(kuò)散以及氧化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象隨著速度增加而加速出現(xiàn)。韓變枝等[6]研究了涂層硬質(zhì)合金刀具高效切削鈦合金刀具磨損情況，結(jié)果表明刀具磨損以后刀面磨損為主，磨損機(jī)理為粘結(jié)、擴(kuò)散和氧化3種磨損形式并存。梁雄等[7]研究了高溫條件下鈦合金對(duì)硬質(zhì)合金的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明兩者的摩擦系數(shù)波動(dòng)劇烈，黏滑摩擦嚴(yán)重，隨著載荷、溫度與速度的增加黏滑現(xiàn)象愈加劇烈。
從檢索到的文獻(xiàn)來(lái)看，大多研究者從切削試驗(yàn)入手，研究硬質(zhì)合金或者涂層刀具切削鈦合金的磨損機(jī)理。陶瓷刀具以其耐磨性好、摩擦系數(shù)低、不易粘刀等優(yōu)點(diǎn)，適合高速切削環(huán)境，在加工鈦合金等難加工材料方面有不錯(cuò)的前景[8-10]。切削過(guò)程中，由于刀具與材料之間的擠壓、摩擦作用，產(chǎn)生大量的切削熱，熱量不能及時(shí)導(dǎo)出，在切削摩擦區(qū)域溫度急速上升，溫度上升造成刀具磨損的加快，導(dǎo)致切削表面質(zhì)量無(wú)法控制。
本文針對(duì)陶瓷刀具切削鈦合金時(shí)刀具磨損問(wèn)題，通過(guò)高溫摩擦試驗(yàn)研究陶瓷材料和固溶時(shí)效后TC11鈦合金磨損行為，探究高溫下鈦合金磨損機(jī)理，為揭示陶瓷刀具切削鈦合金時(shí)磨損機(jī)理、控制工件加工表面質(zhì)量提供理論依據(jù)。
1、試驗(yàn)材料及方法
此次摩擦磨損試驗(yàn)在HT-1000型球-盤(pán)式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其工作載荷范圍為1.5～20N，主軸的轉(zhuǎn)速為0～2000r/min，溫控范圍為常溫～1000℃。TC11鈦合金加工成直徑為43mm、厚度為5mm的圓盤(pán)，其化學(xué)成份見(jiàn)表1。
熱處理方式為固溶時(shí)效處理，固溶溫度為960℃，保溫30min+水冷，時(shí)效溫度為530℃，保溫30min+空冷。顯微組織如圖1所示，經(jīng)固溶時(shí)效處理后的TC11鈦合金，可以清楚地看到α相減少，β相增多，等軸狀的α顆粒均勻的分布在β基體上。熱處理后的表面硬度明顯增加，為53.5HRC；所用摩擦副為直徑為4mm的氮化硅陶瓷球。
試驗(yàn)參數(shù)：溫度分別為100、200、300、400℃，載荷8N，轉(zhuǎn)速1000r/min，摩擦?xí)r間為15min。試驗(yàn)前需將圓盤(pán)和球表面打磨干凈，去氧化皮，用酒精+超聲清洗，吹干。試驗(yàn)溫度由試驗(yàn)機(jī)自身溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)至試驗(yàn)溫度；摩擦系數(shù)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)保存數(shù)；磨損量由精度為0.1mg電子天平測(cè)量圓盤(pán)的磨損失重得到；采用InspectF50型掃描電鏡（SEM）觀(guān)察磨損表面形貌，并采用EDS對(duì)成分進(jìn)行分析。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響
圖2是100、200、300、400℃下摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。由圖2（a）可看出，在開(kāi)始的磨合階段，由于接觸表面不平整，磨損面實(shí)際接觸面積較小，處于磨合階段，所有試樣摩擦系數(shù)均有短暫上升趨勢(shì)，在100和300℃時(shí)2min后趨于平穩(wěn)；在200℃時(shí)在2min后達(dá)到最大值，之后開(kāi)始逐漸下降至平穩(wěn)狀態(tài)，在400℃時(shí)在1min后達(dá)到最大值，之后開(kāi)始逐漸下降。經(jīng)過(guò)磨合階段后，隨著時(shí)間變化，在100和300℃時(shí)，摩擦系數(shù)在0.50～0.54之間波動(dòng)，基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)；在200℃時(shí)，摩擦系數(shù)在0.48～0.55之間波動(dòng)，波動(dòng)范圍相對(duì)較大，但整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)；在400℃時(shí)摩擦系數(shù)由0.50逐漸下降，約在第8min時(shí)下降至0.35，在第10min后有所上升，上升至0.45，整個(gè)過(guò)程中，上下波動(dòng)范圍較大，摩擦系數(shù)下降是因?yàn)楸砻嫘纬梢欢ǖ难趸瘜樱▌?dòng)較大是因?yàn)槟Σ帘砻娉霈F(xiàn)分層，并有邊緣剝落，導(dǎo)致波動(dòng)較大。
由圖2（b）可看出，在整個(gè)穩(wěn)態(tài)磨損階段，在100、200、300℃時(shí)摩擦系數(shù)平均值分別為0.50、0.52、0.53，變化不大，呈輕微上升趨勢(shì)；在400℃時(shí)摩擦系數(shù)平均值為0.41，較前3類(lèi)明顯下降，下降幅度為20%。
2.2溫度對(duì)磨損量的影響
圖3是固溶時(shí)效處理TC11的磨損量與溫度的關(guān)系。從圖中可以看出，在200℃時(shí)，磨損量較100℃下降37.5%；在300℃時(shí)，磨損量較100℃增加120%；在400℃時(shí)，磨損量較300℃下降20%；在200℃時(shí)，磨損量最小；在300℃時(shí)磨損量最大，最大值是最小值的2倍。
2.3磨損形貌及機(jī)理分析
圖4是不同溫度下TC11磨損區(qū)域SEM圖。
圖4（a）為100℃時(shí)的磨損形貌，存在明顯犁溝和磨粒；圖4（b）為200℃時(shí)的磨損形貌，與圖4（a）相比，磨面相差不大，但出現(xiàn)少量黑色和白色物質(zhì)；圖4（c）為300℃時(shí)的磨損形貌，摩擦表面出現(xiàn)大量黑色和白色物質(zhì)，并伴隨有剝落層產(chǎn)生;圖4（d）為400℃時(shí)的磨損形貌，摩擦表面出現(xiàn)大片黑色物質(zhì)和白色物質(zhì)，白色物質(zhì)被碾碎，剝落層逐漸剝落。由EDS分析，白色和黑色物質(zhì)氧含量明顯升高，同時(shí)兩者增加時(shí)摩擦系數(shù)減小，推測(cè)為氧化物[11]。由此可見(jiàn)，隨著溫度的升高，摩擦表面黑色的氧化物和白色氧化膜逐漸增加，剝落層開(kāi)始顯現(xiàn)并在邊緣處逐漸剝落。
對(duì)4種溫度下摩擦表面進(jìn)一步分析，研究其表面主要成分情況，如圖5所示。由圖可知，磨損后的表面，除了本身成分外，還出現(xiàn)了大量的O元素，Si和N元素的含量較原成分也有較大的升高。O元素的增加說(shuō)明有大量的氧化物生成，Si和N元素增加主要是從摩擦副氮化硅擴(kuò)散過(guò)來(lái)的。O元素含量隨著溫度的升高不斷增加，100℃時(shí)，O元素含量為10.30%，200℃時(shí)的含量是100℃時(shí)的2倍多，300℃時(shí)的含量接近100℃時(shí)2倍，400℃時(shí)的含量是100℃時(shí)3.5倍，由于氧化層的存在，增加了表面的耐磨性，這也是400℃時(shí)摩擦系數(shù)低的原因之一。Si和N元素的含量隨著溫度的升高有降低趨勢(shì)，尤其是在400℃時(shí)，Si和N元素的含量?jī)H為100℃時(shí)的3/5和1/20，說(shuō)明隨著溫度的升高，摩擦副的擴(kuò)散減緩，這主要是因?yàn)檠趸锏男纬山档土四Σ料禂?shù)，抑制了Si和N元素的擴(kuò)散。結(jié)合圖4磨損區(qū)域的SEM圖可以看出，在100℃和200℃時(shí)，主要以磨粒磨損為主，存在少量氧化磨損；300℃時(shí)，依然以磨粒磨損為主，伴有氧化磨損和少量黏著磨損；400℃時(shí)，由于氧化物大量生成，氧化區(qū)域擴(kuò)大，所以主要以氧化磨損為主，伴有磨粒磨損和少量黏著磨損。
圖 5 不同溫度下 TC11 鈦合金磨面的 EDS 分析
Fig.5 EDS analysis of TC11 titanium alloy grinding surface at different temperatures
3、結(jié)論
（1）在100、200、300℃時(shí)，固溶時(shí)效后的鈦合金TC11的摩擦系數(shù)約在0.50，隨時(shí)間變化波動(dòng)相對(duì)較小，摩擦系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定；400℃時(shí)，摩擦系數(shù)降低至0.40，隨著時(shí)間變化波動(dòng)較大，摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。
（2）溫度對(duì)固溶時(shí)效后的鈦合金TC11的磨損量有較大的影響，200℃時(shí)磨損量最小，300℃時(shí)磨損量最大，最大磨損量是最小磨損量的2倍；磨損量大小依次為300、400、100、200℃。
（3）100、200、300℃時(shí)，固溶時(shí)效后的鈦合金TC11主要以磨粒磨損為主，同時(shí)均伴有氧化磨損，氧化磨損隨著溫度愈發(fā)明顯；400℃時(shí)，隨著磨損區(qū)域氧化物增加，磨損機(jī)理以氧化磨損為主，并伴有磨粒磨損和少量黏著磨損。
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