MoO3板晶增强TiAl基自润滑材料润滑机制研究及寿命分析

摘要

为满足诸如高温、高速和重载等极端条件下工程机械的减摩耐磨需求，固体自润滑材料受到越来越多科研人员的关注，然而性能优异的自润滑材料仍有待发掘。本论文以特殊多层结构的MoO3板晶作为新型润滑相，以TiAl合金为基体材料，制备出具有良好摩擦学性能的新型含MoO3板晶的TiAl基自润滑材料(TiAl matrixs self-lubricating composite,TMSC)。研究MoO3板晶在不同工况下对TMSC的摩擦学性能的影响，分析MoO3板晶对TMSC的作用机理，并预测TMSC的工作寿命，验证预测精度。具体研究结果如下： 在滑动干摩擦过程中，不同工况下MoO3板晶对TMSC摩擦学性能影响规律不同。通过与TiAl合金对比，研究在不同温度、载荷、对磨副和对磨时间下MoO3板晶对TMSC摩擦学性能的影响工况。不同温度下，MoO3板晶均能提升TMSC的摩擦学性能，并且这种提升随着温度升高而增加，直到400℃时TMSC取得最好的摩擦学性能，400℃以后MoO3板晶遭到破坏逐渐失去作用；不同载荷下， MoO3板晶均能提升TMSC的摩擦学性能，并且这种提升随着载荷增加而增加；不同对磨副下，MoO3板晶均能提升TMSC的摩擦学性能；不同对磨时间下， TMSC的摩擦学性能分三个阶段：（1）初磨阶段，MoO3板晶效果逐渐提升， TMSC的摩擦学性能逐渐变好；（2）稳定阶段，TMSC的摩擦学性能保持优异；（3）剧增阶段，300min后MoO3板晶遭到破坏逐渐失去作用，摩擦学性能降低。 在滑动干摩擦过程中，摩擦表面由于晶粒细化会形成一层均匀致密的细化结构被称为摩擦层，它能极大地提升材料的摩擦学性能。MoO3板晶因为其特殊多层结构具有弱的层间结合力，在应力作用下易于发生层间滑移和层间剥离。层间滑移可以有效地缓解应力，释放应力集中，从而阻止裂纹的产生及扩展，保护摩擦层不被破坏。层间剥离一方面使MoO3板晶在基体中分布得更加均匀，作用面更广，一方面促进了晶粒细化，即摩擦层的形成。同时，当应力升高时，MoO3板晶的层间滑移与剥离进行的更彻底，会进一步促进摩擦层的形成，保护摩擦层的完整。但应力升高，裂纹产生无法阻止，MoO3板晶会先阻止裂纹的扩展，保护摩擦层不被破坏。但当应力过高时，MoO3板晶无法阻止裂纹的产生和扩展，会逐渐失去润滑作用。 采用埃尔米特插值法构建公式来预测TMSC的工作寿命，埃尔米特插值函数曲线图与TMSC的实际磨损率与摩擦系数随对磨时间变化的曲线图变化趋势吻合，对磨时间从20min到60min为初磨阶段，磨损率持续下降；60min到300min为稳定阶段，磨损率保持低值稳定；300min为剧增阶段，磨损率急剧升高。这说明预测函数是准确的，同时也预测了MoO3板晶在对磨时间超过300min会逐渐失去效力，材料TMSC工作寿命被预测为300min。通过与牛顿插值函数对比，埃尔米特插值函数的预测精度更高，能有效准确地预测TMSC在不同对磨时间下的磨损率，预测精度均在90%以上，预测可靠性高。并且预测精度随着对磨时间的增加先增加后减小，这说明摩擦表面越平整，摩擦层越厚，提供更有益的反馈，预测精度越高。但当对磨时间过久时，MoO3板晶逐渐失效，摩擦表面与摩擦层均遭到破坏，预测精度逐渐降低。 论文成果为研究新型优质润滑相MoO3板晶的使用提供了一定的经验借鉴，为研究MoO3板晶的润滑机理提供了参考；同时建立有效地分析工作寿命的公式，简化预测寿命的工作，可应用于工程实际。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 固体自润滑材料研究概况

1.3 固体润滑剂研究现状

1.4 摩擦层结构研究现状

1.5研究意义及目的

1.6研究内容

第二章 试验设备、材料和方法

2.1 试验仪器与设备

2.2 技术路线

2.3 试样制备

2.4 基本性能测试

2.5 微观组织分析

第三章 TiAl基自润滑材料摩擦学性能研究

3.1 MoO3板晶在变温工况下对复合材料摩擦学性能及磨损机理的影响

3.2 MoO3板晶在变载工况下对复合材料摩擦学性能及磨损机理的影响

3.3 MoO3板晶在不同摩擦副下对复合材料摩擦学性能及磨损机理的影响

3.4 MoO3板晶在不同对磨时间下对复合材料摩擦学性能及磨损机理的影响

3.5 本章小结

第四章 TiAl基自润滑材料磨痕断面结构表征与分析

4.1 MoO3板晶在高温下对复合材料磨痕断面结构影响

4.2 MoO3板晶在不同载荷下对复合材料磨痕断面结构的影响

4.3 MoO3板晶在不同摩擦副下对复合材料磨痕断面结构的影响

4.4 MoO3板晶在不同对磨时间下对复合材料磨痕断面结构的影响

4.5 本章小结

第五章 TiAl基自润滑材料中MoO3板晶减摩耐磨机制仿真分析及复合材料寿命分析

5.1 MoO3板晶减摩耐磨机制仿真分析

5.2 TiAl基自润滑材料寿命分析

5.3 本章小结

第六章 总结

6.1主要结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

硕士期间发表的SCI论文和申请的专利