不同环境温度下tc4合金的干滑动磨损行为
在25、200、400和500℃的条件下使用高温磨损机对TC4钛合金进行干滑动磨损实验，研究了不同环境温度对TC4钛合金干滑动摩擦磨损行为的影响。在实验中采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和能量色散谱仪(EDS)对TC4钛合金表面和亚表面的形貌、相组成进行了研究与分析，并对磨损机理进行了探讨。在25~200 °C，TC4合金磨损率随载荷提高而提高。在400和500°C，50N时磨损率较高，但在100-200N之间，磨损率较低，且随载荷增加仅轻微波动，而在250N时，磨损率急剧升高。由扫描电镜表征可知在25 和200 °C，磨面呈现犁沟和粘着痕迹，磨损机理主要为粘着磨损与磨粒磨损。在400和500°C，50和200N，磨面呈现为犁沟、黏着痕迹和少量的黑色光滑区域，磨损机理为黏着磨损、磨粒磨损以及氧化磨损；在400和500°C，100-200N，磨面呈现大量的黑色光滑区，磨损机理为氧化轻微磨损。关键词钛合金，摩擦表面，摩擦亚表面，磨损机制，磨损特征，干摩擦
目 录
目 录 1
1 绪 论 2
1.1 研究目的与意义 2
1.2 钛及钛合金生产应用现状 2
1.3 钛合金磨损研究现状 7
2 实验材料与方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验仪器 10
2.3 实验过程 10
3 结果与讨论 11
3.1 磨损失重 11
3.2 磨面物相 12
3.3 磨面形貌 13
3.4 磨损亚表面形貌与元素分析 14
3.5 实验成果的经济型分析 16
结 论 17
致 谢 18
参考文献 19
1 绪 论
1.1 研究目的与意义
钛及钛合金的主要用途除了生产储氢材料和形状记忆合金之外，在飞机发动机压缩机部件、导弹、火箭和高速飞机结构领域中也经常被使用，是一种非常经济实用的材料。TC4合金是一种近β钛合金，拥有良好的成形性、硬化性、强度、延展性、断裂韧性、疲劳强度、抗肺旋转和抗氢脆性等优越性能。
它是航空航天主要的锻造β钛合金之一，用于飞机起 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
落架结构、襟翼轨道、机身系统、配件、紧固件、执行器，货物装卸结构和直升机旋翼组件。最近在汽车和石油天然气工业领域中也得到应用。然而，钛合金公认的磨损性能差和对擦伤敏感是一个主要的缺点，它极大地限制了钛合金更全面的应用，特别是当滑动接触不可避免的时候。
TC4合金作为一种双相合金，具有优良的综合性能、良好的组织稳定性、韧性、塑性和高温变形性能，可用于热压、淬火、时效等强化合金。它的热处理强度比退火态高约50%，高温强度高，可在400℃500℃的温度区间下长时间工作，热稳定性不如αTi合金。但合金的低耐磨性严重限制了它的使用，在一些涉及摩擦磨损的应用中，TC4合金往往只有经过表面改性处理，提高其耐磨性后才能被应用于生产，所涉及的表面改性处理主要包括微弧氧化、热氧化、渗硼和激光合金化等[2]。
随着航空工业的发展，高温钛合金的发展也迎来了春天。TC4合金是世界上第一种高温钛合金，其使用温度在300℃～350℃之间。 虽然后来又出现了诸如Ti6242、Ti1100等使用温度更高的钛合金，但TC4合金任然在钛合金的应用领域占据极大分额。而根据相关网站数据，目前我们对TC4合金磨损性能的研究多数集中在表面改性处理后，对合金自身磨损性能的研究非常有限。而且大多数钛合金的应用都局限于室温环境[2]，但在实际应用中，钛合金常用于高温环境。故研究TC4合金在不同环境温度下的干滑动磨损行为就显得极为重要。
1.2 钛及钛合金生产应用现状
钛合金的质量目前主要取决于钛合金的生产技术。近几年来钛合金的熔炼、铸造、成型等技术在技术层面取得了长足的进步。目前国内外的钛及钛合金的主流熔炼技术大致分为2类，真空自耗和真空非自耗熔炼，见表11。
表11 钛及钛合金熔炼技术
真空自耗
真空自耗电弧熔炼
真空凝壳炉熔炼
电渣熔炼
真空非自耗
冷床炉熔炼
真空非自耗电弧熔炼
冷坩埚感应熔炼
在中国钛及钛合金的现阶段工业化生产中，目前最流行的熔炼技术有Vacuum arc reinelting和冷床炉熔炼[1]。近年来这些技术的研究和应用中的发展主要体现在以下几个方面：
自动VAR分解过程。随着Vacuum arc reinelting的不断发展，为了满足相关需求，也开始运用先进的计算机技术。自动电子控制箱数据采集系统可分为合金建立精细熔化模型和特定铸锭。
铸锭的尺寸很大。近年来，我国通过不断发展达到了与国外接轨的目标。也实现了和国外常见的吨位：8～15t吨钛冶炼吨位。
供电方式。同轴电源是生产中经常用到的电源。这种方法可以防止偏析并抵消磁场。
数值模拟技术的发展。VAR过程的数值模拟研究已经取得了可观的进展，其中国内学者也做出了极大的贡献。他们对铸锭温度场的温度分布规律进行了探索,并建立了缺陷分布、铸锭成分和凝固组织的相关预测模型。
冷床炉熔炼是以ElectronBeam或者Plasma Arc为热源，然后各自形成电子束冷床炉和等离子冷床炉的两种工艺[1]。而两种技术相较之下，电子束冷床炉熔炼拥有更多较为明显的优点，如可以使用相对多种样式的原材料，可以更好地提高材料的纯度和金属得率等。
等离子束冷床熔化技术使用具有稳定、可控和集中特点的等离子弧来提供热源。因此，当采用该技术熔化钛合金时，可以有效地防止钛合金中高挥发性元素的挥发，使钛合金的组织分布更加均匀。此外，等离子的工作气氛接近于大气压力，因此不受原料影响的局限。等离子冷却炉床具有深而大的特点，从而使溶液可充分扩散。 今后，中国在电子束冷床熔炼技术方面的发展目标，应该是开发一套具有高均匀性的钛合金铸锭单电子束冷床炉熔炼控制技术。
除熔炼技术，对钛及钛合金的处理技术还涉及锻造、熔铸、冶炼等，具体可见表12。
技术
方法
钛的冶炼提取技术
镁还原法、钠还原法、改进型克劳尔法、阿姆斯特朗法、SRI法、导电体介入还原法、Hunter法、Armstrong法
目 录
目 录 1
1 绪 论 2
1.1 研究目的与意义 2
1.2 钛及钛合金生产应用现状 2
1.3 钛合金磨损研究现状 7
2 实验材料与方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验仪器 10
2.3 实验过程 10
3 结果与讨论 11
3.1 磨损失重 11
3.2 磨面物相 12
3.3 磨面形貌 13
3.4 磨损亚表面形貌与元素分析 14
3.5 实验成果的经济型分析 16
结 论 17
致 谢 18
参考文献 19
1 绪 论
1.1 研究目的与意义
钛及钛合金的主要用途除了生产储氢材料和形状记忆合金之外，在飞机发动机压缩机部件、导弹、火箭和高速飞机结构领域中也经常被使用，是一种非常经济实用的材料。TC4合金是一种近β钛合金，拥有良好的成形性、硬化性、强度、延展性、断裂韧性、疲劳强度、抗肺旋转和抗氢脆性等优越性能。
它是航空航天主要的锻造β钛合金之一，用于飞机起 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
落架结构、襟翼轨道、机身系统、配件、紧固件、执行器，货物装卸结构和直升机旋翼组件。最近在汽车和石油天然气工业领域中也得到应用。然而，钛合金公认的磨损性能差和对擦伤敏感是一个主要的缺点，它极大地限制了钛合金更全面的应用，特别是当滑动接触不可避免的时候。
TC4合金作为一种双相合金，具有优良的综合性能、良好的组织稳定性、韧性、塑性和高温变形性能，可用于热压、淬火、时效等强化合金。它的热处理强度比退火态高约50%，高温强度高，可在400℃500℃的温度区间下长时间工作，热稳定性不如αTi合金。但合金的低耐磨性严重限制了它的使用，在一些涉及摩擦磨损的应用中，TC4合金往往只有经过表面改性处理，提高其耐磨性后才能被应用于生产，所涉及的表面改性处理主要包括微弧氧化、热氧化、渗硼和激光合金化等[2]。
随着航空工业的发展，高温钛合金的发展也迎来了春天。TC4合金是世界上第一种高温钛合金，其使用温度在300℃～350℃之间。 虽然后来又出现了诸如Ti6242、Ti1100等使用温度更高的钛合金，但TC4合金任然在钛合金的应用领域占据极大分额。而根据相关网站数据，目前我们对TC4合金磨损性能的研究多数集中在表面改性处理后，对合金自身磨损性能的研究非常有限。而且大多数钛合金的应用都局限于室温环境[2]，但在实际应用中，钛合金常用于高温环境。故研究TC4合金在不同环境温度下的干滑动磨损行为就显得极为重要。
1.2 钛及钛合金生产应用现状
钛合金的质量目前主要取决于钛合金的生产技术。近几年来钛合金的熔炼、铸造、成型等技术在技术层面取得了长足的进步。目前国内外的钛及钛合金的主流熔炼技术大致分为2类，真空自耗和真空非自耗熔炼，见表11。
表11 钛及钛合金熔炼技术
真空自耗
真空自耗电弧熔炼
真空凝壳炉熔炼
电渣熔炼
真空非自耗
冷床炉熔炼
真空非自耗电弧熔炼
冷坩埚感应熔炼
在中国钛及钛合金的现阶段工业化生产中，目前最流行的熔炼技术有Vacuum arc reinelting和冷床炉熔炼[1]。近年来这些技术的研究和应用中的发展主要体现在以下几个方面：
自动VAR分解过程。随着Vacuum arc reinelting的不断发展，为了满足相关需求，也开始运用先进的计算机技术。自动电子控制箱数据采集系统可分为合金建立精细熔化模型和特定铸锭。
铸锭的尺寸很大。近年来，我国通过不断发展达到了与国外接轨的目标。也实现了和国外常见的吨位：8～15t吨钛冶炼吨位。
供电方式。同轴电源是生产中经常用到的电源。这种方法可以防止偏析并抵消磁场。
数值模拟技术的发展。VAR过程的数值模拟研究已经取得了可观的进展，其中国内学者也做出了极大的贡献。他们对铸锭温度场的温度分布规律进行了探索,并建立了缺陷分布、铸锭成分和凝固组织的相关预测模型。
冷床炉熔炼是以ElectronBeam或者Plasma Arc为热源，然后各自形成电子束冷床炉和等离子冷床炉的两种工艺[1]。而两种技术相较之下，电子束冷床炉熔炼拥有更多较为明显的优点，如可以使用相对多种样式的原材料，可以更好地提高材料的纯度和金属得率等。
等离子束冷床熔化技术使用具有稳定、可控和集中特点的等离子弧来提供热源。因此，当采用该技术熔化钛合金时，可以有效地防止钛合金中高挥发性元素的挥发，使钛合金的组织分布更加均匀。此外，等离子的工作气氛接近于大气压力，因此不受原料影响的局限。等离子冷却炉床具有深而大的特点，从而使溶液可充分扩散。 今后，中国在电子束冷床熔炼技术方面的发展目标，应该是开发一套具有高均匀性的钛合金铸锭单电子束冷床炉熔炼控制技术。
除熔炼技术，对钛及钛合金的处理技术还涉及锻造、熔铸、冶炼等，具体可见表12。
技术
方法
钛的冶炼提取技术
镁还原法、钠还原法、改进型克劳尔法、阿姆斯特朗法、SRI法、导电体介入还原法、Hunter法、Armstrong法
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/255.html
