原位自生(TiC+TiB)/Ti6Al4V复合材料的干滑动摩擦磨损性能研究

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本文用原位反应法制备了不同增强相含量的(TiC+TiB)/TC4(Ti6Al4V)复合材料,增强相颗粒为TiC和TiB。通过使用HT-1000型摩擦磨损试验机,系统研究了增强相颗粒含量、载荷和滑动速度等参数对干滑动摩擦磨损性能的影响。其中,增强相体积分数分别为0、2.5%和5%,外加载荷分别为5N、10N、15N和20N,滑动速度分别为0.419m/s、0.628m/s和0.837 m/s,并借助光学显微镜、扫描电子显微镜和洛氏硬度计等仪器分析材料的组织及磨损行为。TC4基体合金的硬度值为31.5HRC,TMC2复合材料的硬度值达34.2HRC,增加了8.6%,硬度变化不大。滑动速度0.419m/s、外加载荷5N时,TC4的磨损率为2.11×10-6mm3/mm,TMC2的磨损率达1.03×10-6mm3/mm,减少了51.2%,磨损率变化明显,表现出优异的耐磨性能。TC4基体合金以犁削磨损和剥离磨损为主,复合材料以磨粒磨损和剥离磨损为主,伴有氧化磨损。TC4基体合金的磨屑为块状和片状磨屑,随增强相含量的增加磨屑尺寸减小,呈现较小的颗粒状。相对于TC4,TMC1和TMC2的摩擦层厚度明显减小,且亚表面基本不存在变形区域。滑动速度0.419m/s、外加载荷5N时,TC4及TMC1、TMC2复合材料的磨损表面硬度值较基材大幅提高,分别为915.8HV、1076.8 HV和1103.2HV。亚表面硬度略高于基材的硬度,由磨面至心部,硬度不断减小趋于稳定水平,且复合材料的硬度大于TC4合金的硬度。随载荷增加,基体合金和复合材料的磨损率增加,平均摩擦系数降低。载荷变化时,TC4、TMC1和TMC2复合材料的摩擦系数分别在0.48-0.55、0.42-0.52和0.39-0.47范围内波动,波动范围较小,摩擦系数较稳定。材料在低载荷下磨损比较轻微,载荷增大以疲劳磨损和磨粒磨损为主。随着载荷增加,磨屑的尺寸增加,磨损加剧。材料在低载荷时摩擦层较薄且疏松不致密,高载荷时摩擦层和变形层厚度增加,且摩擦层变得致密和均匀。材料断面的表层硬度均随着载荷增加而增大。随滑动速度增加,基体合金和复合材料的磨损率及摩擦系数均减小。在0.419 m/s-0.628m/s滑动速度下磨损率减小幅度较大,在0.628m/s-0.837 m/s滑动速度下减小幅度较小。随滑动速度增加,TC4磨面的沟槽深度降低,复合材料磨面的划痕变轻,剥落区域变小,磨损程度减小。材料随滑动速度增加磨屑明显增大,断面的摩擦层由疏松变得均匀致密,且摩擦层裂纹数量减少。滑动速度增加,摩擦层含有大量氧化物,其硬度极高,对磨损表面能够起到良好的保护作用,磨损率降低。
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