表面改性钛合金与增强型聚四氟乙烯在海水中的摩擦学行为

发布时间：2020-01-21 04:50

【摘要】：为改善海水环境中钛合金与增强型聚四氟乙烯摩擦副对磨时的摩擦学性能,采用离子渗氮、微弧氧化技术对Ti6Al4V钛合金表面进行改性处理。对比研究了Ti6Al4V合金基材与改性层在模拟海水环境中分别与两种增强型聚四氟乙烯配副材料对磨的摩擦学行为。结果表明:在海水介质环境中,Ti6Al4V钛合金及其表面渗氮、微弧氧化处理试样与两种增强型聚四氟乙烯配副对磨时摩擦系数均较低;Ti6Al4V钛合金基体不耐磨,且造成两种增强型聚四氟乙烯配副的严重磨损。上述两种表面处理均有效改善了钛合金表面的耐磨性能,其中表面离子渗氮处理钛合金耐磨性能更优,同时降低了增强型聚四氟乙烯配副的磨损程度,而微弧氧化处理则使增强型聚四氟乙烯配副的磨损加重。相同试验条件下,玻璃纤维增强聚四氟乙烯比锡青铜增强聚四氟乙烯的耐磨性能优。采用离子渗氮钛合金与玻璃纤维增强聚四氟乙烯组成配副材料应用于海水环境中服役的水压传动摩擦学元件有明显的优势。
【图文】：

谱图,表面改性层,基材,试样

2)。试样磨损体积的计算按公式为:V1=2πＲ1A;聚四氟乙烯配副的磨损体积的计算公式:V2=lπＲ22，，式中:Ｒ2为配副销的半径(mm);l为磨损前后销长变化尺寸。借助Origin软件对磨损过程中稳定段平均摩擦因数进行计算(稳定段摩擦因素积分除以稳定段磨损时间)。2试验结果与讨论2.1钛合金试样和摩擦配副的基本特征钛合金表面离子渗氮改性层由两部分组成，表面为白亮的N与Ti的化合物层，厚度约为3μm，其下面为厚约20μm的N在钛合金中形成的固溶层。微弧氧化膜层厚度约为8～10μm，由内外两层组成。图1Ti6Al4V基材与表面改性层试样的XＲD谱图1所示为Ti6Al4V钛合金基材(BM)、离子渗氮层及微弧氧化层经机械抛光后的XＲD图谱。Ti6Al4V钛合金基材包含有α-Ti主相(初生相)和β-Ti相。离子渗氮层XＲD图谱主相为α-Ti，同时渗氮表层中包含Ti2N和TiN相，α-Ti相的出现则是因为X射线穿透较薄的渗氮层使钛合金基材相显示647

配副,摩擦因数,材料,钛合金

离子渗氮层和微弧氧化层与钛合金基材的结合强度，结果表明，即使载荷达到划痕仪极限载荷100N时氮化层也未出现脱层现象，此归于渗氮层与钛合金基材之间为冶金结合的缘故，因此，渗氮层与钛合金基材之间结合强度很高。然而当载荷增加到90N时，氮化层会出现明显的开裂破坏现象，这是由于渗氮试样表面为N与Ti化合物，其硬度虽高但韧性却不及钛合金基材。微弧氧化试样表面在载荷达到15N时出现了表层与次表层之间的分裂现象，即微弧氧化膜层的表层与次表层结合强度较低，而内层与钛合金基材的结合强度较高。2.2摩擦因数图2所示为不同表面状态的Ti6Al4V合金试样分别与两种增强聚四氟乙烯配副在模拟海水环境中对磨时摩擦因数随时间的变化情况，图3所示为稳定阶段摩擦因素的平均值。可以看到，两种增强型聚四氟乙烯配副与Ti6Al4V合金及表面改性层对磨时摩擦因数均较低，稳定阶段摩擦因数均在0.1附近，这显然与聚四氟乙烯材料的自润滑特性密切相关。对于相同表面状态的钛合金试样，两种增强型聚四氟乙烯配副对摩擦因素无明显影响，这可能是由于增强相含量较低，摩擦因素主要由聚四氟乙烯基体决定。图2不同配副材料对磨时的摩擦因数随时间的变化图3不同配副材料对磨时稳定阶段摩擦因数平均值相同配副试验条件下离子渗氮试样的摩擦因数比钛合金基材及微弧氧化处理试样的摩擦因数均低，这是因为离子渗氮试样表面硬度高，聚四氟乙烯配副在摩擦过程中向离子渗氮试样表面转移后能够获得良好的减摩润滑作用。钛合金不耐磨，增强聚四氟乙烯配副中的硬质增强相会造成钛合金试样表面出现磨损沟槽，因而表现出较高的摩擦因素。微弧氧化试样表面的粗糙度较高，因而摩擦因素稍大。2.3磨损特性图4所示为不同表面状态的Ti6Al4V合金试样与增强型聚

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