温度对航空用TC11钛合金加工材摩擦磨损行为的影响

钛合金因其密度低、强度高、耐腐蚀等方面的诸多优点，被广泛应用于航空、航天等领域[1-2]。TC11钛合金具有优异的热强性能，可在高温的环境中长期工作，主要用于制造航空发动机的压气机盘、叶片等[3]。钛合金属于航空难加工材料，其切削加工性能相对较差，目前加工刀具主要为高速钢或硬质合金，在高速切削时磨损速度加快，限制切削效率的提升。为减少刀具磨损，提高其耐用度，就需从刀具-工件摩擦副的摩擦学特性入手，研究刀具磨损机理。

国内外很多学者围绕刀具磨损机理开展了相关研究，刘鹏博士从摩擦学特性入手，研究了超硬刀具高速铣削钛合金的磨损机理，结果表明硬质合金刀具主要表现为磨粒磨损、严重的粘结磨损和扩散磨损[4]。范依航等[5]研究了硬质合金刀具干切钛合金Ti-6Al-4V时的磨损行，结果表明在切削过程中刀-屑接触面伴随着严重的黏结、扩散以及氧化现象，这种现象随着速度增加而加速出现。韩变枝等[6]研究了涂层硬质合金刀具高效切削钛合金刀具磨损情况，结果表明刀具磨损以后刀面磨损为主，磨损机理为粘结、扩散和氧化3种磨损形式并存。梁雄等[7]研究了高温条件下钛合金对硬质合金的摩擦学性能，结果表明两者的摩擦系数波动剧烈，黏滑摩擦严重，随着载荷、温度与速度的增加黏滑现象愈加剧烈。

从检索到的文献来看，大多研究者从切削试验入手，研究硬质合金或者涂层刀具切削钛合金的磨损机理。陶瓷刀具以其耐磨性好、摩擦系数低、不易粘刀等优点，适合高速切削环境，在加工钛合金等难加工材料方面有不错的前景[8-10]。切削过程中，由于刀具与材料之间的挤压、摩擦作用，产生大量的切削热，热量不能及时导出，在切削摩擦区域温度急速上升，温度上升造成刀具磨损的加快，导致切削表面质量无法控制。

本文针对陶瓷刀具切削钛合金时刀具磨损问题，通过高温摩擦试验研究陶瓷材料和固溶时效后TC11钛合金磨损行为，探究高温下钛合金磨损机理，为揭示陶瓷刀具切削钛合金时磨损机理、控制工件加工表面质量提供理论依据。

1、试验材料及方法

此次摩擦磨损试验在HT-1000型球-盘式高温摩擦磨损试验机上进行，其工作载荷范围为1.5～20N，主轴的转速为0～2000r/min，温控范围为常温～1000℃。TC11钛合金加工成直径为43mm、厚度为5mm的圆盘，其化学成份见表1。

热处理方式为固溶时效处理，固溶温度为960℃，保温30min+水冷，时效温度为530℃，保温30min+空冷。显微组织如图1所示，经固溶时效处理后的TC11钛合金，可以清楚地看到α相减少，β相增多，等轴状的α颗粒均匀的分布在β基体上。热处理后的表面硬度明显增加，为53.5HRC；所用摩擦副为直径为4mm的氮化硅陶瓷球。

试验参数：温度分别为100、200、300、400℃，载荷8N，转速1000r/min，摩擦时间为15min。试验前需将圆盘和球表面打磨干净，去氧化皮，用酒精+超声清洗，吹干。试验温度由试验机自身温控系统调节至试验温度；摩擦系数由计算机实时保存数；磨损量由精度为0.1mg电子天平测量圆盘的磨损失重得到；采用InspectF50型扫描电镜（SEM）观察磨损表面形貌，并采用EDS对成分进行分析。

2、试验结果与分析

2.1温度对摩擦系数的影响

图2是100、200、300、400℃下摩擦系数随时间变化曲线。由图2（a）可看出，在开始的磨合阶段，由于接触表面不平整，磨损面实际接触面积较小，处于磨合阶段，所有试样摩擦系数均有短暂上升趋势，在100和300℃时2min后趋于平稳；在200℃时在2min后达到最大值，之后开始逐渐下降至平稳状态，在400℃时在1min后达到最大值，之后开始逐渐下降。经过磨合阶段后，随着时间变化，在100和300℃时，摩擦系数在0.50～0.54之间波动，基本趋于稳定状态；在200℃时，摩擦系数在0.48～0.55之间波动，波动范围相对较大，但整体趋于稳定状态；在400℃时摩擦系数由0.50逐渐下降，约在第8min时下降至0.35，在第10min后有所上升，上升至0.45，整个过程中，上下波动范围较大，摩擦系数下降是因为表面形成一定的氧化层，波动较大是因为摩擦表面出现分层，并有边缘剥落，导致波动较大。

由图2（b）可看出，在整个稳态磨损阶段，在100、200、300℃时摩擦系数平均值分别为0.50、0.52、0.53，变化不大，呈轻微上升趋势；在400℃时摩擦系数平均值为0.41，较前3类明显下降，下降幅度为20%。

2.2温度对磨损量的影响

图3是固溶时效处理TC11的磨损量与温度的关系。从图中可以看出，在200℃时，磨损量较100℃下降37.5%；在300℃时，磨损量较100℃增加120%；在400℃时，磨损量较300℃下降20%；在200℃时，磨损量最小；在300℃时磨损量最大，最大值是最小值的2倍。

2.3磨损形貌及机理分析

图4是不同温度下TC11磨损区域SEM图。

图4（a）为100℃时的磨损形貌，存在明显犁沟和磨粒；图4（b）为200℃时的磨损形貌，与图4（a）相比，磨面相差不大，但出现少量黑色和白色物质；图4（c）为300℃时的磨损形貌，摩擦表面出现大量黑色和白色物质，并伴随有剥落层产生;图4（d）为400℃时的磨损形貌，摩擦表面出现大片黑色物质和白色物质，白色物质被碾碎，剥落层逐渐剥落。由EDS分析，白色和黑色物质氧含量明显升高，同时两者增加时摩擦系数减小，推测为氧化物[11]。由此可见，随着温度的升高，摩擦表面黑色的氧化物和白色氧化膜逐渐增加，剥落层开始显现并在边缘处逐渐剥落。

对4种温度下摩擦表面进一步分析，研究其表面主要成分情况，如图5所示。由图可知，磨损后的表面，除了本身成分外，还出现了大量的O元素，Si和N元素的含量较原成分也有较大的升高。O元素的增加说明有大量的氧化物生成，Si和N元素增加主要是从摩擦副氮化硅扩散过来的。O元素含量随着温度的升高不断增加，100℃时，O元素含量为10.30%，200℃时的含量是100℃时的2倍多，300℃时的含量接近100℃时2倍，400℃时的含量是100℃时3.5倍，由于氧化层的存在，增加了表面的耐磨性，这也是400℃时摩擦系数低的原因之一。Si和N元素的含量随着温度的升高有降低趋势，尤其是在400℃时，Si和N元素的含量仅为100℃时的3/5和1/20，说明随着温度的升高，摩擦副的扩散减缓，这主要是因为氧化物的形成降低了摩擦系数，抑制了Si和N元素的扩散。结合图4磨损区域的SEM图可以看出，在100℃和200℃时，主要以磨粒磨损为主，存在少量氧化磨损；300℃时，依然以磨粒磨损为主，伴有氧化磨损和少量黏着磨损；400℃时，由于氧化物大量生成，氧化区域扩大，所以主要以氧化磨损为主，伴有磨粒磨损和少量黏着磨损。

图 5 不同温度下 TC11 钛合金磨面的 EDS 分析

Fig.5 EDS analysis of TC11 titanium alloy grinding surface at different temperatures

3、结论

（1）在100、200、300℃时，固溶时效后的钛合金TC11的摩擦系数约在0.50，随时间变化波动相对较小，摩擦系数相对稳定；400℃时，摩擦系数降低至0.40，随着时间变化波动较大，摩擦系数不稳定。

（2）温度对固溶时效后的钛合金TC11的磨损量有较大的影响，200℃时磨损量最小，300℃时磨损量最大，最大磨损量是最小磨损量的2倍；磨损量大小依次为300、400、100、200℃。

（3）100、200、300℃时，固溶时效后的钛合金TC11主要以磨粒磨损为主，同时均伴有氧化磨损，氧化磨损随着温度愈发明显；400℃时，随着磨损区域氧化物增加，磨损机理以氧化磨损为主，并伴有磨粒磨损和少量黏着磨损。

参考文献：

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[3]毛小南，赵永庆，杨冠军．国外航空发动机用钛合金的发展现状[J]．稀有金属快报，2007，26(5)：1-7．

[4]刘鹏．超硬刀具高速铣削钛合金的基础研究[D]．南京：南京航空航天大学，2011.

[5]范依航，郝兆朋，林洁琼，等．干切钛合金 Ti-6Al-4V 时硬质合金刀具磨损行为研究[J]．制造技术与机床，2015(11)：148-152.

[6]韩变枝，刘公雨，陈明，等．高效铣削钛合金涂层硬质合金刀具 优 选 及 磨 损 试 验 研 究 [J]． 制 造 技 术 与 机 床 ，2018(8)：152-157.

[7]梁雄， 杜平， 高党寻， 等.Ti-6Al-4V/WC-Co 干摩擦性能研究[J]．制造技术与机床，2022(1)：98-102．

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[11]李景阳，王文波，秦 林，等．TD3 钛合金离子渗氮层的摩擦磨损性能[J]．金属热处理，2021(9)：258-261.

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