汽(qi)轮机转(zhuan)子(zi)在(zai)汽轮机(ji)系统中(zhong)承(cheng)担着(zhe)能(neng)量(liang)转(zhuan)换(huan)、传递扭(niu)矩(ju)和(he)支(zhi)撑(cheng)叶片等(deng)作(zuo)用(yong)，依(yi)靠(kao)转(zhuan)子与(yu)轴瓦组(zu)成的(de)滑(hua)动轴(zhou)承摩(mo)擦(ca)副实(shi)现有效(xiao)润滑(hua)和承(cheng)载(zai)，保障设(she)备(bei)稳(wen)定(ding)运行。在《中国(guo)制(zhi)造2025》中(zhong)，要求(qiu)电力装(zhuang)备制(zhi)造(zao)业向(xiang)智能化(hua)[1]、绿色(se)化[2]及高(gao)效化[3]等方(fang)面(mian)发展(zhan)。作(zuo)为发(fa)电(dian)和(he)动力装备(bei)的(de)核(he)心部件，汽(qi)轮机转子实现轻量化可(ke)提高汽轮(lun)机(ji)的(de)输出(chu)功率(lv)、可靠(kao)性和(he)稳(wen)定性[4-6]，延(yan)长设备(bei)使用(yong)寿命，是我国(guo)突破(po)能(neng)源动(dong)力装(zhuang)备(bei)行制(zhi)造(zao)业(ye)瓶颈的重(zhong)要(yao)研(yan)究内(nei)容。汽轮机(ji)常见的转子(zi)材(cai)料包(bao)括45钢[7]、12Cr钢(gang)[8]和(he)3.5NiCrMoV钢(gang)[9]等，常见(jian)轴(zhou)瓦材(cai)料包括巴(ba)氏合(he)金[10]、钴基(ji)合(he)金[11]和聚醚(mi)醚(mi)酮(tong)[12]等，由(you)于(yu)转(zhuan)子大(da)质(zhi)量(liang)和(he)不平(ping)衡(heng)质量引(yin)起的离心(xin)力导致(zhi)的转子挠曲、扰(rao)动(dong)和(he)高(gao)压(ya)气(qi)体腐(fu)蚀(shi)等(deng)问(wen)题严重影(ying)响(xiang)汽轮(lun)机(ji)功(gong)能(neng)和(he)使用寿(shou)命。
当(dang)前(qian)汽轮机(ji)转子轻(qing)量化研究方(fang)向包括(kuo)材料改进(jin)、结(jie)构(gou)优(you)化(hua)及集(ji)成(cheng)设计(ji)等(deng)。TC4钛(tai)合金(jin)作(zuo)为轻量(liang)化常(chang)用(yong)材料，具有高(gao)比(bi)强度(du)、低密(mi)度、耐(nai)腐(fu)蚀(shi)、热(re)稳定(ding)性(xing)强及抗氧化(hua)性(xing)等优(you)点(dian)[13-14]，李(li)昌(chang)等[15]研(yan)究(jiu)了(le)TC4钛合金板材热(re)处(chu)理(li)后的显(xian)微(wei)组织(zhi)演(yan)变规律，发现其(qi)具(ju)备(bei)相互交错(cuo)的(de)网(wang)篮组织(zhi)，同时具有(you)较高的(de)显(xian)微硬(ying)度(du)。LiuMing等[16]研(yan)究了(le)激(ji)光粉末床(chuang)熔(rong)覆(fu)工(gong)艺下(xia)TC4钛合金的(de)钝化(hua)膜(mo)形(xing)成速率、成(cheng)分(fen)、形成(cheng)机(ji)制(zhi)和腐蚀(shi)性(xing)能(neng)，相(xiang)比(bi)于(yu)铸造(zao)工(gong)艺(yi)具(ju)有更(geng)优(you)异的(de)抗腐(fu)蚀性能。对于(yu)汽(qi)轮机转(zhuan)子(zi)在(zai)高温(wen)、高压和气(qi)体腐(fu)蚀(shi)的(de)服役环境下，TC4钛(tai)合金(jin)具(ju)备较(jiao)大(da)优势(shi)。
TC4钛(tai)合金材料(liao)用(yong)于(yu)汽轮机转(zhuan)子(zi)，还需解决(jue)钛(tai)合金(jin)轴(zhou)颈与轴(zhou)承之(zhi)间(jian)的摩(mo)擦(ca)副(fu)匹配(pei)问题(ti)。关于TC4钛合(he)金机械性(xing)能(neng)和摩(mo)擦学性(xing)能，国内(nei)外(wai)学者也进行了诸(zhu)多研究：王(wang)剑飞等(deng)[17]研究(jiu)了(le)磨(mo)屑对(dui)TC4钛(tai)合(he)金微(wei)动(dong)磨损行为的影(ying)响，结(jie)果显(xian)示(shi)，磨(mo)屑(xie)呈(cheng)松(song)散的(de)颗粒状，多数(shu)呈(cheng)现团(tuan)聚(ju)状(zhuang)态，清(qing)除磨(mo)屑会导(dao)致摩擦系(xi)数和(he)系(xi)统(tong)形(xing)变量显著下降(jiang)，最大(da)降幅(fu)分别(bie)可达(da)63%和41%。王(wang)兰等(deng)[18]对TC4和TC11合(he)金(jin)的磨(mo)损(sun)性(xing)能进行了(le)研究(jiu)，发现TC4和(he)TC11合(he)金在25℃时(shi)抗磨(mo)损性能(neng)较差(cha)，而在600℃时(shi)则表现(xian)出优异的(de)抗(kang)磨(mo)损性(xing)能，此时TC11合金(jin)的磨损率低(di)于(yu)TC4合金。刘涛等[19]研(yan)究了热(re)处理对(dui)TC4钛合金微观结(jie)构和(he)力(li)学(xue)性能的影响(xiang)，通(tong)过不同的热处理(li)工(gong)艺，分(fen)析了其相组(zu)成(cheng)和晶粒尺(chi)寸(cun)等微(wei)观结构(gou)的(de)变(bian)化以及(ji)对强(qiang)度和塑性等(deng)力(li)学(xue)性能的影(ying)响。俞(yu)树荣等(deng)[20]研(yan)究了(le)TC4钛合(he)金(jin)和GCr15钢以(yi)及Si3N4的(de)微动(dong)磨(mo)损行为(wei)，分(fen)析(xi)了(le)摩擦(ca)副(fu)随(sui)载(zai)荷(he)变(bian)化(hua)的摩擦(ca)系(xi)数和磨损机制(zhi)。马震(zhen)等[21]采(cai)用(yong)激光微(wei)加工法(fa)在(zai)TC4钛合(he)金表(biao)面(mian)制(zhi)备了自润滑(hua)复(fu)合耐磨结构，结(jie)果发现(xian)，与(yu)未织(zhi)构(gou)面(mian)相(xiang)比(bi)磨(mo)损量降(jiang)低了99.3%，与(yu)未热氧(yang)化(hua)面相比(bi)磨(mo)损(sun)量降(jiang)低了46.1%。尹艳(yan)丽(li)等(deng)[22]采用研(yan)究(jiu)了(le)天(tian)然(ran)微纳(na)米蛇纹石粉(fen)体作为(wei)CD5W/40润(run)滑油(you)添加(jia)剂(ji)对(dui)Ti6Al4V合(he)金摩(mo)擦学性能(neng)的影(ying)响(xiang)，在不(bu)同(tong)添(tian)加量(liang)、载荷(he)和频(pin)率(lv)条件下(xia)考(kao)察(cha)了(le)和(he)钢(gang)配(pei)副的(de)钛(tai)合(he)金的润(run)滑自修(xiu)复(fu)行为(wei)。但对于(yu)TC4钛(tai)合(he)金(jin)转(zhuan)子和(he)巴氏合(he)金(jin)轴瓦组成(cheng)的(de)新(xin)型(xing)轴(zhou)承(cheng)，其摩擦(ca)副(fu)摩(mo)擦学(xue)性(xing)能和(he)磨损(sun)机(ji)理还有(you)待揭示。
本文(wen)中分别(bie)在(zai)油(you)润滑和干(gan)摩擦条件(jian)下(xia)，对比研(yan)究了(le)TC4钛合(he)金-巴(ba)氏(shi)合金摩(mo)擦(ca)副和45钢(gang)-巴(ba)氏(shi)合(he)金摩擦(ca)副的摩擦学(xue)性能(neng)，探(tan)究了不(bu)同(tong)载(zai)荷(he)和线速(su)度对(dui)摩擦(ca)副(fu)的摩擦(ca)学性(xing)能(neng)的(de)影(ying)响(xiang)规(gui)律(lv)，分(fen)析其摩(mo)擦磨损(sun)机(ji)制(zhi)，阐(chan)明了(le)TC4钛(tai)合金(jin)-巴(ba)氏合(he)金(jin)新型(xing)轴(zhou)承摩(mo)擦副(fu)应(ying)用(yong)的(de)可(ke)能性(xing)，为汽(qi)轮机(ji)转(zhuan)子轻(qing)量化设计提供试(shi)验(yan)依据。
1、试验部(bu)分(fen)
1.1试(shi)验(yan)装置(zhi)和(he)参数(shu)
为揭(jie)示(shi)新(xin)型轴承(cheng)摩(mo)擦(ca)副的(de)摩擦磨(mo)损(sun)机理，采用(yong)环块摩(mo)擦磨(mo)损(sun)试(shi)验机(ji)开(kai)展(zhan)试验。试验对(dui)象(xiang)为TC4钛合(he)金-巴(ba)氏(shi)合金(jin)摩(mo)擦副(fu)和(he)45钢(gang)-巴氏(shi)合金(jin)摩擦副(fu)，后者是(shi)目(mu)前(qian)常(chang)用(yong)的(de)汽轮(lun)机(ji)轴(zhou)承(cheng)摩擦副，摩(mo)擦(ca)副(fu)由(you)金属试块(kuai)和(he)试环(huan)组成，其(qi)示意图(tu)如图1所(suo)示(shi)。
试验条件(jian)分(fen)为(wei)干(gan)摩擦和(he)油(you)润(run)滑，其中，采用(yong)的汽轮机润滑油(you)牌(pai)号为L-HM46，环(huan)块(kuai)摩(mo)擦(ca)副接触面完全浸没(mei)在(zai)润(run)滑(hua)油(you)中。试块(kuai)材质为(wei)SnSb11Cu6锡基(ji)巴氏合(he)金(jin)，几何(he)尺(chi)寸长宽高为6.5mm×15.5mm×10mm，接(jie)触面粗糙(cao)度(Ra)为(wei)0.8μm。试(shi)环(huan)材质(zhi)分别(bie)为45钢(gang)和(he)TC4钛(tai)合金(jin)，几(ji)何(he)尺寸为外(wai)径Φ35mm×6.7mm，表(biao)面粗糙(cao)度(Ra)为(wei)0.8μm。摩(mo)擦磨(mo)损(sun)试验机装(zhuang)置(zhi)如图2所示(shi)。
环块摩擦(ca)磨损(sun)试(shi)验机由(you)驱动(dong)机(ji)构、传动机(ji)构(gou)、加(jia)载(zai)机(ji)构(gou)及(ji)摩(mo)擦(ca)磨(mo)损机(ji)构组成(cheng)。驱动(dong)机构(gou)由(you)驱动(dong)电机构成，驱动(dong)电(dian)机可提(ti)供最(zui)大(da)1440r/min的(de)转速(su)。驱动(dong)电(dian)机产生的(de)驱动力借助(zhu)2个联(lian)轴器(qi)传递至(zhi)试(shi)验轴(zhou)，两(liang)联(lian)轴(zhou)器之间(jian)装有转(zhuan)速(su)和(he)扭(niu)矩(ju)传感(gan)器(qi)。加(jia)载(zai)机构(gou)包括伺(ci)服(fu)步进(jin)电机、加载弹(dan)簧和加(jia)载(zai)杆，伺(ci)服(fu)步进(jin)电机由位(wei)移(yi)传(chuan)感器(qi)控制，可(ke)施加(jia)垂直(zhi)方(fang)向位移(yi)，位移(yi)引起加(jia)载弹簧形变(bian)，依(yi)据(ju)胡(hu)克定律(lv)可(ke)产(chan)生(sheng)相互(hu)的加载(zai)力，通(tong)过(guo)加载杆(gan)传(chuan)递(di)至(zhi)摩擦副位置(zhi)。加载力(li)的真(zhen)值借助加载弹(dan)簧上方的压力(li)传感(gan)器获取，载荷(he)稳定(ding)后，波动(dong)范(fan)围在1%左右。摩擦磨(mo)损(sun)机构(gou)主要(yao)由(you)试环和试(shi)块(kuai)构成(cheng)。试块通(tong)过(guo)紧固(gu)螺栓安(an)装于金(jin)属(shu)环上(shang)方的槽内，试环固(gu)定于带(dai)有(you)螺(luo)纹的套(tao)筒之间(jian)，之(zhi)后整(zheng)体(ti)借(jie)助转轴上(shang)的(de)螺(luo)纹(wen)孔定位(wei)，与(yu)轴紧固配合进(jin)行相(xiang)对(dui)同步(bu)的旋转运(yun)动，与(yu)试块实现(xian)相(xiang)对摩(mo)擦(ca)。摩擦副位置设(she)置(zhi)有水(shui)平(ping)方向(xiang)压(ya)力(li)传(chuan)感器，用(yong)于(yu)采(cai)集转(zhuan)轴(zhou)对(dui)磨(mo)产(chan)生的(de)切向力。所有(you)传(chuan)感(gan)器(qi)接入数据(ju)采集卡(ka)，将(jiang)采集信号(hao)传输(shu)至电(dian)脑，通过计(ji)算机端的(de)DAQsensor软件对(dui)试(shi)验数据(ju)进(jin)行实时(shi)监测(ce)和采集。
1.2试(shi)验方法
环块摩(mo)擦磨(mo)损试(shi)验(yan)的(de)试(shi)验(yan)方(fang)案列于表(biao)1中。
试(shi)验(yan)载荷(he)分别(bie)为50、100、150和200N，根据式1计(ji)算(suan)对应(ying)的(de)接触(chu)比(bi)压(ya)，即(ji)为0.76、1.53、2.29和3.05MPa。
式(shi)中(zhong)，p为(wei)比(bi)压(ya)(Pa)，F为施加(jia)载(zai)荷(N)，α为(wei)修(xiu)正(zheng)系(xi)数(shu)0.288，d为试(shi)环直径(m)，l为(wei)试(shi)块长度(du)(m)。
根(gen)据式2线速度(du)计算(suan)公(gong)式，油(you)润(run)滑(hua)条(tiao)件(jian)下(xia)，试验(yan)转速最(zui)大(da)为1260r/min，即线(xian)速度最(zui)大(da)为(wei)2.31m/s，干(gan)摩(mo)擦(ca)条件(jian)时，试验转(zhuan)速最(zui)大(da)为900r/min，即线速度最大为1.65m/s。
式中(zhong)，Vm为(wei)线速(su)度(m/s)，n为轴转(zhuan)速(r/min)。
为(wei)模(mo)拟设备(bei)实(shi)际运行(xing)中(zhong)的(de)启(qi)停(ting)及(ji)换(huan)速(su)工况，每组(zu)试(shi)验(yan)从(cong)0r/min开(kai)始(shi)先升速后(hou)降速，观(guan)察(cha)转速传感(gan)器(qi)采集(ji)的数据(ju)，待(dai)各工(gong)况(kuang)转(zhuan)速稳(wen)定后(hou)，采集稳定(ding)状态下(xia)30s数(shu)据(ju)，采(cai)样(yang)频(pin)率(lv)为100Hz，每(mei)个工况试验总(zong)时长(zhang)为(wei)45s，油润(run)滑(hua)试验总时长为(wei)89min，干(gan)摩(mo)擦(ca)试验总(zong)时(shi)长为53min，其(qi)中预磨(mo)损(sun)时间(jian)均为(wei)5min。为保持润滑环(huan)境(jing)的一(yi)致(zhi)性(xing)，进行油(you)润(run)滑试(shi)验时(shi)，每次试验后(hou)更换(huan)润(run)滑(hua)油。进行干(gan)摩(mo)擦(ca)试验时(shi)，使用(yong)热(re)成像拍摄(she)仪实(shi)时(shi)监测摩(mo)擦副接触温度(du)并进行记(ji)录，每组(zu)试(shi)验(yan)结(jie)束试验(yan)台冷却至常温(wen)。每组进行(xing)多次(ci)重(zhong)复性(xing)试(shi)验(yan)验(yan)证试(shi)验(yan)可靠(kao)性。试(shi)验前后(hou)分别(bie)将环(huan)、块用(yong)装有无(wu)水乙醇(chun)的超(chao)声(sheng)波(bo)清(qing)洗机清(qing)洗15min，烘箱(xiang)烘(hong)干(gan)8h。
摩(mo)擦系数(shu)为摩擦(ca)力(li)和(he)施加载荷(he)之(zhi)比，由(you)式(3)计(ji)算：
式(shi)中(zhong)，μ为(wei)摩(mo)擦(ca)系(xi)数，Fm为摩(mo)擦力(li)(N)，摩擦(ca)力(li)和(he)施加(jia)载荷由(you)DAQsensor软件进行(xing)采(cai)集(ji)。试块(kuai)磨损量根据体积(ji)磨(mo)损(sun)率(lv)确(que)定(ding)，计算(suan)方法为
式中，Ww为体积(ji)磨损(sun)率(mm3)，V为(wei)试块(kuai)磨损(sun)体积(mm3)，S为(wei)滑(hua)动(dong)距离(m)。磨损体(ti)积根(gen)据(ju)国(guo)家标准GB/T12444-2006[23]进(jin)行(xing)计(ji)算：
式(shi)中(zhong)，b为(wei)磨痕平(ping)均宽(kuan)度(du)(mm)。
式(shi)中，t为(wei)试验(yan)时间(s)。
摩(mo)擦(ca)磨(mo)损试(shi)验(yan)结束(shu)后(hou)，采用EM-30AX扫(sao)描(miao)电(dian)子(zi)显微镜(SEM)对(dui)清(qing)洗(xi)后(hou)的巴氏(shi)合(he)金(jin)试块(kuai)进(jin)行(xing)表(biao)面形貌(mao)观(guan)察(cha)，并(bing)使用VK-X1000形状(zhuang)测量(liang)激(ji)光(guang)显微系统拍(pai)摄试块(kuai)磨损后(hou)三(san)维(wei)形貌(mao)[24]以进行(xing)对比(bi)分析(xi)。
2、结果与(yu)分析
2.1油(you)润滑(hua)摩擦(ca)磨(mo)损试验分析(xi)
2.1.1摩(mo)擦系(xi)数
根据(ju)多次试验结果(guo)，绘(hui)制油润(run)滑(hua)、变(bian)载(zai)荷和(he)转速(su)下45钢(gang)-巴氏合(he)金摩(mo)擦(ca)副(fu)的摩擦系数箱线(xian)图，如图(tu)3所(suo)示(shi)。同一(yi)转速下，随着(zhe)载(zai)荷(he)增加，45钢(gang)摩擦(ca)副的摩擦(ca)系(xi)数(shu)先(xian)减小(xiao)后(hou)保(bao)持(chi)稳定(ding)，同(tong)一速度下的(de)摩擦系(xi)数(shu)基(ji)本(ben)不变。这是由于载荷增(zeng)大，摩擦表(biao)面粗糙(cao)峰接触(chu)面(mian)积(ji)增(zeng)加(jia)，接(jie)触应力减(jian)小，而巴氏合(he)金中(zhong)软(ruan)基体(ti)变形保(bao)持(chi)了一(yi)定(ding)的(de)油膜强度(du)，从(cong)而(er)导致摩(mo)擦系(xi)数(shu)先(xian)减小后保(bao)持稳定(ding)。同一(yi)载(zai)荷下(xia)，随(sui)着转速升高(gao)，摩(mo)擦系数(shu)逐渐(jian)降低，并(bing)在(zai)转(zhuan)速达到810r/min时(shi)，摩擦(ca)系(xi)数降(jiang)至(zhi)0.02后(hou)趋(qu)于稳(wen)定。这(zhe)是(shi)由(you)于(yu)随着转速(su)增加(jia)，摩(mo)擦(ca)副之间(jian)逐渐(jian)形成(cheng)一(yi)定厚(hou)度(du)的(de)油膜，摩(mo)擦副实际接触面积逐渐(jian)减少，流体动压润滑(hua)效(xiao)应凸显，导(dao)致摩擦系数(shu)呈(cheng)现(xian)上述(shu)规律。
相同工况下(xia)，TC4钛合(he)金-巴氏(shi)合金(jin)摩(mo)擦副(fu)的(de)摩擦系数(shu)箱线图(tu)如(ru)图4所(suo)示。随着载荷和(he)转(zhuan)速变(bian)化(hua)，TC4钛合金(jin)摩(mo)擦副(fu)摩擦系(xi)数变化(hua)规律(lv)与(yu)45钢摩擦(ca)副(fu)类似，不(bu)同(tong)之处在(zai)于前(qian)者摩(mo)擦系数(shu)波动(dong)范围(wei)更(geng)大(da)且未保持(chi)稳(wen)定(ding)。这是(shi)因(yin)为(wei)TC4钛合(he)金弹(dan)性(xing)模量较小，更容易(yi)发生弹(dan)性形(xing)变(bian)，且(qie)易(yi)形(xing)成(cheng)氧(yang)化膜，氧(yang)化膜的磨(mo)损和(he)形(xing)成(cheng)过程实时变化(hua)，同(tong)时(shi)其(qi)导热性(xing)相对(dui)较(jiao)差，热量(liang)传递较(jiao)慢。从而影响(xiang)摩擦副的(de)接(jie)触(chu)状态(tai)，导(dao)致两(liang)者(zhe)摩(mo)擦系(xi)数(shu)变化(hua)规律(lv)产(chan)生差(cha)异。
分别将45钢(gang)摩(mo)擦副和(he)TC4钛(tai)合金摩(mo)擦(ca)副的(de)平(ping)均摩(mo)擦系数(shu)汇总(zong)，如(ru)图(tu)5所(suo)示。可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，45钢(gang)摩擦副摩(mo)擦系(xi)数随着线(xian)速度增(zeng)大(da)呈(cheng)现(xian)“浴(yu)盆曲线”，但(dan)TC4钛(tai)合金摩擦副(fu)呈(cheng)现(xian)“锥(zhui)形线(xian)”，后者摩擦系(xi)数(shu)下降更(geng)陡(dou)峭。此外，载(zai)荷(he)在50N时(shi)45钢摩擦副摩擦系(xi)数小于TC4钛(tai)合(he)金(jin)摩擦(ca)副，但(dan)载(zai)荷大(da)于100N后，后(hou)者摩擦系(xi)数小于前者，特(te)别是载荷(he)为200N时(shi)，后(hou)者(zhe)平均(jun)摩擦系(xi)数比前(qian)者减(jian)小(xiao)了(le)94.9%。这是(shi)因为TC4钛合金硬度较(jiao)高(gao)，轻(qing)载情(qing)况下相比(bi)于(yu)45钢在(zai)摩擦(ca)副接(jie)触(chu)面(mian)位(wei)置产生更(geng)大(da)的(de)应(ying)力(li)集中(zhong)，造成(cheng)表面(mian)形貌(mao)损(sun)伤，因此(ci)轻载时(shi)TC4钛合(he)金(jin)摩擦副摩擦(ca)系数更(geng)大。而(er)重载时(shi)，两(liang)者(zhe)与巴(ba)氏合(he)金中(zhong)硬质(zhi)相接触面积增加，而TC4钛(tai)合(he)金更(geng)能抵(di)抗塑性(xing)变(bian)形，表面完(wan)整性更好，同时摩擦热(re)增(zeng)加，TC4钛(tai)合金摩擦副(fu)摩(mo)擦化(hua)学反应(ying)更(geng)为活(huo)跃，氧化膜(mo)更(geng)稳(wen)定，因(yin)此重(zhong)载时TC4钛(tai)合(he)金摩(mo)擦(ca)副(fu)摩(mo)擦系数更(geng)小(xiao)。
2.1.2表(biao)面(mian)形(xing)貌分(fen)析(xi)
为(wei)了(le)进一(yi)步(bu)揭(jie)示(shi)磨损(sun)机(ji)理，油润滑(hua)条(tiao)件下2种(zhong)摩(mo)擦副表面形(xing)貌(mao)的VK-X1000照片和SEM照(zhao)片分别(bie)如(ru)图6和图7所示。结合图6(a)和图(tu)7(a)可知，由(you)于润(run)滑(hua)油(you)的(de)黏(nian)度较(jiao)小，试验(yan)前期(qi)45钢摩(mo)擦(ca)副(fu)黏(nian)着结点(dian)的强(qiang)度小(xiao)于材料(liao)强(qiang)度，产生轻(qing)微(wei)黏着磨损(sun)。试(shi)验后期(qi)形成(cheng)流体(ti)动(dong)压润(run)滑(hua)，减小(xiao)了摩(mo)擦副直(zhi)接接触磨(mo)损(sun)，使(shi)材料(liao)表(biao)面粗(cu)糙(cao)度降低(di)，因此(ci)其表面较(jiao)平整(zheng)均(jun)匀，只有(you)轻微(wei)划(hua)痕(hen)和(he)少量(liang)凹(ao)坑，其表面情况与摩擦(ca)系(xi)数和磨损(sun)量(liang)的(de)试验(yan)结(jie)果(guo)相(xiang)符合(he)。
图(tu)6(b)和(he)图7(b)所(suo)示(shi)为TC4钛合(he)金摩擦(ca)副表(biao)面(mian)形(xing)貌的(de)微观照片。与45钢(gang)相比，TC4钛(tai)合金表面存在较明(ming)显(xian)的(de)划痕和凹坑(keng)，同(tong)时(shi)存在磨(mo)粒。这(zhe)是(shi)由(you)于TC4钛合(he)金(jin)硬(ying)度较高(gao)，试(shi)验(yan)中(zhong)未形(xing)成(cheng)流体动压(ya)润(run)滑(hua)时，摩(mo)擦副(fu)接(jie)触面(mian)存(cun)在(zai)轻微(wei)硬质相相(xiang)磨(mo)，产(chan)生(sheng)少量(liang)磨屑(xie)并(bing)形(xing)成轻(qing)微(wei)磨粒磨(mo)损(sun)，对摩擦(ca)副表面造成损伤，影(ying)响其摩擦(ca)系数(shu)和(he)磨损(sun)量，与试(shi)验(yan)结果(guo)相(xiang)对应(ying)。
使(shi)用VK-X1000形状(zhuang)测量激光显(xian)微(wei)系统观(guan)测45钢(gang)和TC4钛(tai)合(he)金(jin)摩擦副的(de)巴(ba)氏合金表面(mian)的三(san)维(wei)照片，如图(tu)8所示(shi)。可(ke)以看(kan)出，磨损后(hou)两摩(mo)擦(ca)副(fu)表面(mian)粗(cu)糙度均增大(da)，同时(shi)伴有(you)划(hua)伤(shang)，与(yu)图(tu)6和图7显(xian)示(shi)的(de)结果相对应。同(tong)时，TC4钛(tai)合金(jin)摩擦副的磨(mo)痕深度(du)和宽度相比于(yu)45钢(gang)摩擦副均有增加，与(yu)磨损量测(ce)试结(jie)果(guo)相符(fu)合。
2.2干(gan)摩(mo)擦(ca)摩(mo)擦(ca)磨(mo)损(sun)试验(yan)分析
2.2.1摩擦(ca)系数
根据(ju)多(duo)次(ci)试验(yan)结果，绘(hui)制(zhi)干(gan)摩(mo)擦、变载(zai)荷(he)和(he)转(zhuan)速下45钢(gang)-巴(ba)氏(shi)合(he)金摩擦副(fu)的(de)摩擦系(xi)数箱线图，如图9所(suo)示(shi)。同一转速下(xia)，随着(zhe)载(zai)荷增加(jia)，45钢(gang)摩擦副的(de)直接(jie)接(jie)触导(dao)致其(qi)摩擦系数(shu)较大，但(dan)摩(mo)擦(ca)系数(shu)整体变化(hua)趋(qu)势(shi)与(yu)油润滑条件时(shi)较(jiao)为(wei)一(yi)致(zhi)。这(zhe)是由于(yu)摩(mo)擦副(fu)持续高(gao)温摩擦，试(shi)块表面(mian)出(chu)现颗(ke)粒状磨(mo)屑(xie)，减小(xiao)粗糙峰(feng)直接接触(chu)，形成固(gu)体(ti)润(run)滑效(xiao)果(guo)，同时增大散热空间，减小(xiao)热量累(lei)积(ji)，从(cong)而(er)导(dao)致(zhi)摩擦(ca)系(xi)数(shu)降低(di)。同(tong)一(yi)载荷(he)下(xia)，随着转速(su)的(de)升高(gao)，摩擦系数呈(cheng)上(shang)升(sheng)趋势，这是(shi)由于(yu)摩(mo)擦热累(lei)积(ji)，摩擦副(fu)接触(chu)温度逐渐增加(jia)，摩擦副表(biao)面(mian)形(xing)貌被(bei)破坏，粗(cu)糙(cao)度(du)增加，导(dao)致摩擦(ca)系数(shu)呈现上述(shu)规(gui)律(lv)。
相同工况(kuang)下，TC4钛(tai)合金(jin)-巴(ba)氏合(he)金摩(mo)擦副的(de)摩(mo)擦(ca)系数箱(xiang)线(xian)图(tu)如图10所示(shi)。随(sui)着载荷(he)和转速变(bian)化，TC4钛合(he)金摩擦(ca)副(fu)摩擦系(xi)数变(bian)化规(gui)律(lv)与(yu)45钢(gang)摩(mo)擦(ca)副(fu)类(lei)似，不同(tong)之处在(zai)于(yu)前者(zhe)摩擦系数(shu)变化范围(wei)更小(xiao)且(qie)更稳(wen)定(ding)。这是因为(wei)随着摩擦(ca)热的产生，接(jie)触面(mian)温(wen)度(du)升高，促(cu)进前者氧(yang)化层的(de)形(xing)成(cheng)，减少了(le)金(jin)属(shu)间(jian)的(de)直(zhi)接接触，而(er)TC4钛合金(jin)的(de)热(re)稳定性又比(bi)较(jiao)好，硬(ying)度(du)高(gao)，塑(su)性(xing)变形(xing)较(jiao)小(xiao)，因(yin)此摩擦(ca)系(xi)数(shu)变(bian)化(hua)趋(qu)势较(jiao)平(ping)缓(huan)。
分别将(jiang)45钢摩(mo)擦(ca)副和TC4钛(tai)合金摩擦副的(de)平(ping)均(jun)摩(mo)擦系数汇总(zong)，如图11所(suo)示(shi)。可(ke)以看出，45钢摩(mo)擦(ca)副摩擦系数(shu)随载荷(he)和(he)线(xian)速度增加(jia)变(bian)化(hua)更(geng)为剧(ju)烈，而(er)TC4钛(tai)合(he)金摩(mo)擦(ca)副(fu)更为稳定(ding)。此外(wai)，载(zai)荷在100N以下时(shi)，TC4钛(tai)合金摩(mo)擦(ca)副摩擦(ca)系(xi)数(shu)小于(yu)45钢(gang)，但(dan)载(zai)荷大于150N时(shi)，后(hou)者(zhe)摩擦系数小(xiao)于前(qian)者。这是因(yin)为(wei)轻(qing)载(zai)时(shi)TC4钛合金(jin)摩(mo)擦(ca)化(hua)学(xue)反(fan)应(ying)不活跃(yue)，形成的(de)氧化(hua)膜(mo)完(wan)整(zheng)性较高，同时(shi)其硬度(du)较(jiao)大(da)，塑性(xing)变(bian)形(xing)较(jiao)小，保证(zheng)了摩(mo)擦(ca)接(jie)触(chu)面(mian)的(de)表(biao)面平整度(du)，因(yin)此(ci)TC4钛合金摩擦副(fu)摩(mo)擦(ca)系(xi)数更小(xiao)。而(er)重(zhong)载时摩擦(ca)热(re)大量(liang)累积(ji)，45钢摩擦副(fu)持(chi)续高(gao)温(wen)运行，产生了(le)黑色(se)粉(fen)末状磨(mo)屑，形成固体(ti)润(run)滑(hua)效果(guo)，减(jian)小(xiao)了摩(mo)擦副间的直接(jie)接(jie)触，因此重载时(shi)TC4钛(tai)合(he)金摩(mo)擦副摩擦(ca)系数(shu)更大。
2.2.2表面形(xing)貌分析(xi)
为了(le)进一步揭(jie)示(shi)磨损机(ji)理(li)，干摩(mo)擦(ca)条(tiao)件(jian)下2种(zhong)摩(mo)擦(ca)副的(de)VK-X1000表面形(xing)貌照(zhao)片和SEM表(biao)面(mian)形(xing)貌(mao)照片(pian)如图12和(he)图13所示。结(jie)合图12(a)和图(tu)13(a)可(ke)知，45钢(gang)摩(mo)擦副(fu)表(biao)面(mian)存在较明(ming)显的(de)犁沟状划痕和(he)大片(pian)剥(bo)落，这(zhe)是(shi)由于干摩擦时(shi)摩擦副直接接触，材料(liao)累(lei)积(ji)大(da)量(liang)热量，加剧(ju)了(le)粗(cu)糙峰(feng)接触(chu)产生(sheng)的黏着磨(mo)损。随着环块(kuai)的相对(dui)转(zhuan)动(dong)，黏(nian)着结(jie)点的强(qiang)度(du)和面积均(jun)增大，发生胶(jiao)合(he)磨损，导致(zhi)大片(pian)材(cai)料(liao)撕裂(lie)剥(bo)落(luo)，使得表(biao)面(mian)粗(cu)糙(cao)度急(ji)剧增(zeng)加(jia)，同时(shi)少(shao)量(liang)磨(mo)粒(li)随(sui)机附着(zhe)在(zai)摩擦(ca)副两表面(mian)，产(chan)生(sheng)大量(liang)犁沟状(zhuang)划(hua)痕(hen)，导(dao)致摩(mo)擦副(fu)摩擦系(xi)数(shu)升高，磨损量增(zeng)大(da)。
图12(b)和(he)图(tu)13(b)所示(shi)为TC4钛(tai)合金摩(mo)擦副表面(mian)形(xing)貌的SEM照片，与(yu)45钢(gang)相比，TC4钛(tai)合金(jin)表面(mian)犁沟状划痕和(he)剥落更为(wei)明显，这是(shi)由于TC4钛合(he)金的硬(ying)度和(he)强(qiang)度较高(gao)，巴(ba)氏(shi)合金表面(mian)的疲劳(lao)损(sun)伤更为严(yan)重(zhong)，而(er)其(qi)弹性模(mo)量(liang)较(jiao)低，抗(kang)弹性变(bian)形(xing)较差，表面平(ping)整(zheng)度较差(cha)，产生的(de)摩(mo)擦热(re)效应(ying)更(geng)为显著(zhu)，黏(nian)着磨损和磨粒(li)磨损更严重(zhong)。
使(shi)用VK-X1000形(xing)状测量激光显(xian)微(wei)系(xi)统(tong)观(guan)测(ce)45钢和(he)TC4钛合金摩擦(ca)副的巴氏合(he)金表面(mian)形(xing)貌(mao)的(de)三(san)维(wei)照(zhao)片(pian)，如图(tu)14所(suo)示。可(ke)以(yi)看(kan)出，磨损(sun)后(hou)两摩擦副(fu)的巴氏(shi)合金表(biao)面粗糙(cao)度(du)急(ji)剧(ju)增加(jia)，伴(ban)有(you)明显(xian)犁(li)沟划痕(hen)，同(tong)时(shi)伴有磨(mo)屑堆(dui)积(ji)，与图11和图(tu)12显(xian)示(shi)的(de)结果相(xiang)对应。同时TC4钛合金(jin)摩擦副的(de)磨痕深度(du)和(he)宽(kuan)度(du)相(xiang)比(bi)于(yu)45钢(gang)均有增加(jia)，与磨(mo)损量(liang)测试(shi)结果(guo)相符(fu)合。
2.3体积(ji)磨损率
根据多次试(shi)验(yan)结(jie)果(guo)，油润(run)滑(hua)和(he)干摩擦(ca)条(tiao)件(jian)下的(de)45钢和(he)TC4钛(tai)合(he)金(jin)摩(mo)擦(ca)副中巴氏合(he)金(jin)试(shi)块(kuai)的平均(jun)体积(ji)磨损(sun)率如图15所(suo)示(shi)。油(you)润(run)滑(hua)条(tiao)件(jian)下，45钢(gang)摩擦副的体积(ji)磨(mo)损(sun)率远(yuan)小(xiao)于(yu)TC4钛合(he)金(jin)摩擦(ca)副，45钢(gang)-巴氏合(he)金的(de)体积(ji)磨(mo)损率为72.57mm3/(N·m)，TC4钛合(he)金-巴(ba)氏合金(jin)的(de)体积磨损率为994.90mm3/(N·m)。干摩擦(ca)条件下，45钢摩擦副(fu)的体积(ji)磨(mo)损(sun)率小于TC4钛(tai)合(he)金(jin)摩(mo)擦副，45钢-巴(ba)氏(shi)合(he)金的体(ti)积(ji)磨(mo)损率为(wei)753.62mm3/(N·m)，TC4钛合(he)金(jin)-巴氏合金的(de)体积磨(mo)损(sun)率为(wei)2884.26mm3/(N·m)。这是由于油(you)润(run)滑(hua)时，TC4钛合金初始(shi)摩擦系(xi)数(shu)较(jiao)大，干(gan)摩(mo)擦(ca)时，TC4钛合(he)金黏着磨(mo)损更(geng)为(wei)剧(ju)烈。因(yin)此整体(ti)而(er)言，相(xiang)同工(gong)况(kuang)下(xia)，TC4钛合(he)金(jin)相(xiang)比45钢(gang)磨(mo)损情况更加(jia)剧(ju)烈。
综上(shang)所(suo)述，相(xiang)比于现有(you)油润滑(hua)轴(zhou)承(cheng)的45钢-巴(ba)氏合金摩(mo)擦副(fu)，在油(you)润滑(hua)及轻载条件下，新型(xing)轴承(cheng)的TC4钛(tai)合金-巴氏(shi)合(he)金摩(mo)擦(ca)副(fu)摩(mo)擦学性(xing)能(neng)相近(jin)，表面(mian)形(xing)貌(mao)较为(wei)平(ping)整(zheng)，粗糙(cao)度(du)相(xiang)对(dui)较小(xiao)，在(zai)重(zhong)载(zai)时后者(zhe)摩擦(ca)学性(xing)能更(geng)为(wei)优异(yi)，但(dan)累(lei)积磨(mo)损量较大；在(zai)干(gan)摩(mo)擦及(ji)轻载(zai)时(shi)，TC4钛(tai)合(he)金-巴氏(shi)合金(jin)摩擦(ca)副摩擦(ca)学(xue)性(xing)能更(geng)为(wei)优(you)异，但(dan)在重(zhong)载时(shi)摩擦系(xi)数相对较大，磨(mo)损量随(sui)之增(zeng)加(jia)，表面(mian)形貌遭到破(po)坏(huai)。因此(ci)当处(chu)于(yu)油(you)润滑环境下(xia)工作(zuo)时(shi)，TC4钛(tai)合(he)金(jin)-巴(ba)氏合(he)金(jin)新型轴承(cheng)基本(ben)可(ke)以(yi)替(ti)代(dai)45钢-巴氏合金轴(zhou)承(cheng)。但(dan)当(dang)处(chu)于干(gan)摩(mo)擦或(huo)者(zhe)极端(duan)低速(su)重(zhong)载(zai)时(shi)，需要(yao)对(dui)TC4钛合金(jin)进(jin)行(xing)表(biao)面处理(li)，根(gen)据实际(ji)工(gong)况选(xuan)择(ze)表面合(he)金化[25]、表面(mian)涂(tu)层[26]和(he)表(biao)面(mian)改性(xing)[27]等(deng)技(ji)术(shu)提高摩擦副(fu)摩擦(ca)和磨损性(xing)能(neng)。
3、结(jie)论(lun)
本(ben)文(wen)中选(xuan)取(qu)了TC4钛合(he)金(jin)和45钢(gang)2种(zhong)材(cai)料(liao)与巴氏合(he)金(jin)进(jin)行摩擦(ca)磨(mo)损(sun)试(shi)验(yan)，研究了它(ta)们在油润滑(hua)和(he)干(gan)摩(mo)擦条件(jian)下(xia)不同工况(kuang)的(de)摩擦学(xue)性能(neng)，主要(yao)结论如下(xia)：
a.摩(mo)擦系数：油(you)润滑(hua)条件(jian)下，在(zai)载(zai)荷(he)为50N时，45钢(gang)摩(mo)擦(ca)副(fu)摩擦系(xi)数(shu)小(xiao)于TC4钛(tai)合(he)金(jin)摩(mo)擦副；载(zai)荷≥100N时，TC4钛合金摩(mo)擦(ca)副摩(mo)擦系数(shu)更小。干(gan)摩(mo)擦(ca)条件下，在载(zai)荷(he)≤100N时(shi)，TC4钛(tai)合(he)金(jin)摩擦副摩(mo)擦系数(shu)小(xiao)于(yu)45钢(gang)摩(mo)擦副(fu)；载荷(he)≥150N时，45钢(gang)摩(mo)擦副摩(mo)擦系(xi)数(shu)更(geng)小(xiao)。
b.体(ti)积(ji)磨(mo)损(sun)率(lv)：相(xiang)同工况下，TC4钛(tai)合金(jin)-巴氏合金(jin)摩擦(ca)副的(de)体积磨损(sun)率明显(xian)大(da)于45钢(gang)-巴氏(shi)合金(jin)，油润滑(hua)时(shi)前者是后者(zhe)的13.7倍(bei)，干摩擦(ca)时(shi)为3.8倍(bei)。
c.表(biao)面形貌：油润(run)滑条件下(xia)，45钢(gang)和TC4钛合(he)金(jin)摩擦副的表(biao)面(mian)均(jun)较(jiao)为(wei)平整，存在轻微(wei)划(hua)痕和凹(ao)坑，产(chan)生轻微黏着磨损和磨(mo)粒磨(mo)损(sun)。干(gan)摩(mo)擦条(tiao)件下，45钢和(he)TC4钛(tai)合(he)金摩擦副(fu)的(de)表(biao)面(mian)均(jun)存在(zai)明(ming)显的(de)犁沟(gou)状划痕和大片剥(bo)落(luo)，黏着磨(mo)损(sun)和(he)磨(mo)粒磨损较(jiao)为(wei)严重。
d.对(dui)于(yu)TC4钛(tai)合(he)金(jin)-巴(ba)氏(shi)合金新(xin)型(xing)轴承(cheng)，油润(run)滑环境工作时基本(ben)可(ke)以替(ti)代(dai)45钢(gang)-巴氏合金轴承，但在(zai)干(gan)摩擦(ca)或(huo)低速(su)重载(zai)的(de)极端(duan)工况时，仍须对TC4钛合金进行表面(mian)处(chu)理(li)，用(yong)以(yi)提(ti)高(gao)摩(mo)擦(ca)副(fu)摩擦(ca)和(he)磨损性能。
参考(kao)文(wen)献(xian)
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