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沙粒对TC4和TC17两种钛合金冲击磨损行为的影响

发布时间:2020-11-14 23:06
   钛合金本身具有密度较小,耐热性、耐腐蚀性、加工性能良好等特点,被广泛应用于航空工业。钛合金不仅用作飞机的结构材料,还被用于一些重要部件,如:航空发动机风扇、压缩机盘和叶片。钛合金被使用的很多工况都存在冲击磨损现象,如果发动机叶片在高速运转时产生损伤将会给航空航天器带来巨大的安全隐患。故本文基于改造后的能量控制冲击磨损试验机对TC4和TC17钛合金进行了沙粒条件下的冲击磨损试验。将沙粒条件下和无沙条件下钛合金的冲击动力学响应及磨损情况进行了对比,并研究了沙粒粒径、沙粒种类、沙粒配比、冲击次数、冲击速度等试验参数对钛合金冲击磨损行为的影响。主要结论如下:(1)在冲击界面添加沙粒能显著影响材料的磨损行为。与无沙条件相比,硬质沙粒条件下的冲击接触时间、能量吸收率、磨损量明显增加,冲击力峰值明显减小。(2)在软质沙粒条件下,随着沙粒粒径增大,钛合金的冲击力峰值降低,冲击接触时间变长、冲击能量吸收率和磨损面积明显增加,磨屑堆积体积呈现增加的趋势。在硬质沙粒条件下,随着沙粒粒径的增加,磨损区域面积增加;冲击力峰值、能量吸收率和磨损深度先增加后减小。(3)在不同沙粒比例条件下,随着冲击次数的增加,冲击力峰值和冲击返回速度明显减小,磨损量和磨损率增加。当沙粒比例为50/50时,在冲击次数不大于5000次条件下表现为―负磨损‖,当冲击次数不小于10000次时表现为―正磨损‖。纯软质条件下始终表现为―负磨损‖。(4)在不同的沙粒比例条件下,随着冲击速度的增加,磨损量和磨损率的变化趋势不同。当沙粒比例为50/50时,随着冲击速度增加,磨损体积从―负‖逐渐变为―正‖。纯软质条件下始终表现为―负磨损‖。(5)磨损体积和磨损率随着硬质沙粒比例的提高而增加。当软、硬质沙粒的比例为75/25或100/0时,由于软质沙粒破碎并粘附在试样表面,可能会出现―负磨损‖。冲击力峰值和吸收能量随着冲击速度的增大而增大,而接触时间和能量吸收率减小。(6)在无沙粒的环境中,钛合金的磨损机制以剥层磨损为主,且磨损区域出现了明显氧化。而在软质沙粒的条件下,钛合金的磨损机制为切削作用和磨屑堆积。在硬质沙粒条件下,沙粒环境下的磨损机制主要表现为微观切削和挤压剥落。在混合沙粒条件下,磨损机制主要表现为硬质沙粒的切削、挤压剥落以及软质沙粒破碎在试样表面形成保护壳。
【学位单位】:西南交通大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2019
【中图分类】:TG146.23
【部分图文】:

冲击磨损,领域,冲击角


冲击磨损一般指两接触表面之间反复接触、碰撞所造成的各个表面磨损[17]。冲击磨损普遍存在于航空工业、矿山机械、管道输送、核能发电、铁路机械等诸多领域(见图1-1),是导致机械零部件失效的重要原因之一。因此,近年来研究人员对冲击磨损进行了大量的研究[18]。研究发现冲击速度、冲击次数、冲击角度、环境温度及磨料特征等试验条件都会影响冲击磨损[19-21]。Islam M A[22]研究了磨粒的速度对API X42钢冲击磨损的影响,发现材料的磨损率随着冲击速度的增加而增加。研究人员发现冲击磨损机理及磨损率与冲击角度有关[23-24]。AISI 304和AISI 316不锈钢在冲击角度为60°时磨损率最高,而AISI 420不锈钢在冲击角度为30°时的磨损率较高[25-26]。根据冲击角度的不同,Al-Bukhaiti M A将1017不锈钢的磨损机理分为三种情况[27]:当冲击角度小于15°时,磨损主要基于磨粒的划削和擦削;当冲击角度大于15°小于75°时,磨损主要受切削和犁沟的影响;当冲击角度大于75°时,磨损以磨粒挤压材料导致材料损失为主。Desale[28]分别用石英、氧化铝和碳化硅三种磨粒冲击试样,发现不同的磨粒会导致不同的磨损率。随着冲击速度的增加,样品的磨损程度也会增加[22,29]。与去离子水环境中的磨损情况相比,当冲击磨损发生在腐蚀性的盐溶液中时,具有马氏体相层状微观结构的钢材容易被腐蚀并造成较大的磨损[30]。Li等[31-32]用直径180μm的石榴石颗粒以650m/s的速度撞击高强度钢,研究了材料高速粒子冲击条件下材料的去除机制。邓[33]研究了粒子旋转情况对延展性较好的金属EN-24钢冲击磨损的影响。研究结果表明:粒子以―后旋‖的状态撞击试样比―顶旋‖和―无旋‖带来更高的磨损率,当冲击角度较小时候这种现象会更加明显。基于此作者对Finnie-Bitter模型进行了修正,发现修正后的模型能够更好的预测粒子的冲击磨损行为。Wong等[34]和Njobuenwu等[35]分析了大量的试验数据,并建立了预测固体粒子冲击磨损的模型。

冲击磨损,商业,机器,国际


(1)早在1972年,国际商业机器公司研发了第一台冲击磨损试验机[44]。试验机的旋转电机带动飞轮和冲击盘做旋转运动,见图1-2。在实验的过程中,冲击盘与试样发生碰撞,从而完成冲击实验。试验机可以实现冲击速度、冲击次数的控制。(2)2017年,上海交通大学的Binggang Liu等[45]人使用MLD-10型动载磨料磨损实验机研究了Si含量对纳米结构贝氏体钢冲击磨损性能的影响。实验设备上的旋转电机带动下试样旋转,通过调节重锤的高度来控制实验冲击的能量。在试样之间添加磨料,重锤上下往复运动使得试样产生冲击磨损。试验机可以调节冲击的能量和下试样的转速。

磨料磨损,动载,冲击磨损


(2)2017年,上海交通大学的Binggang Liu等[45]人使用MLD-10型动载磨料磨损实验机研究了Si含量对纳米结构贝氏体钢冲击磨损性能的影响。实验设备上的旋转电机带动下试样旋转,通过调节重锤的高度来控制实验冲击的能量。在试样之间添加磨料,重锤上下往复运动使得试样产生冲击磨损。试验机可以调节冲击的能量和下试样的转速。(3)2008年奥地利摩擦学研究中心研发了HT-CIAT型循环冲击磨损试验机[46,47]。如图1-4所示,冲杆能够上下往复运动来冲击样品表面。同时,试验机要求试验样品安装角度固定为45°,以方便磨粒不断的流过磨损区域。试验机能够实现室温至700摄氏度的温度范围,并可以控制磨料的流速。
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本文编号:2884052

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