TiAlZr钛合金及其TiAlN涂层滑移区高温微动磨损行为研究

摘要

微动磨损是一种表面破坏过程,在小位移幅值(微米量级)震动的两接触表面几乎都可以观察到；已成为核电、航空、铁路等工业领域中紧配合部件失效的主要原因之一。在核反应堆中,由于特殊的高温环境,使得蒸汽发生器管与支撑构件在高温回路冷却水的循环流动下发生了严重的高温微动损伤。硬质涂层因具有高的硬度、耐磨性和化学稳定性而作为抗微动磨损的重要防护措施之一被广泛应用于各种工业中。但目前对于硬质涂层的微动磨损研究一般只在常温下进行,而高温微动磨损研究报道很小。因此对硬质涂层进行高温微动磨损行为研究,减缓核电设备和防护具有重要意义。
　　 本文在高精度液压式高温微动磨损试验机上,采用球／平面接触模式,研究了TiAlN涂层和基体Ti-Al-Zr钛合金的高温微动磨损行为。分析了其摩擦系数、磨损体积以及磨痕形貌；利用激光共聚焦扫描显微镜(LCSM)测量磨损量,用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)及表面轮廓仪等对磨癍进行微观分析。系统研究了涂层和基体在不同位移幅值、法向载荷及温度的磨损行为,探讨了其高温微动磨损机理。论文主要结论如下:
　　 (1)法向载荷对涂层和基体摩擦系数影响大,且均随着载荷的增加而增大；而位移幅值对摩擦系数变化不明显(特别是在稳定阶段)。400℃时摩擦系数曲线波动大。
　　 (2)法向载荷和位移幅值的变化对涂层微动损伤均产生较大影响,涂层的磨损量均随着法向载荷或位移幅值的增加而增大。室温时,随着载荷的增加,涂层磨痕形貌变得粗糙,而在高温时其磨痕形貌却变得相对光滑；高温时位移幅值的变化对磨痕形貌特征影响不显著。
　　 (3)温度对微动磨损表现为两种行为:①温度的升高使得涂层及基体局部区域易发生粘着及塑性变形,以及涂层与基体的热膨胀系数不同；在交变应力作用下会在界面及涂层薄弱区产生裂纹,从而导致涂层的断裂、剥落,加重磨损；②温度升高使得表面间易发生氧化,当在磨痕最表面覆盖一层致密的、压实的氧化层时,对接触表面具有自润滑和保护作用,会减轻磨损。在25℃至200℃之间,以第一种行为主,摩擦系数值和磨损量随着温度的升高而增大；而在200℃至400℃之间,以第二种行为为主,摩擦系数值和磨损量却随着温度的升高而下降。
　　 (4)室温和200℃,TiAlN涂层磨损机理主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥层共同作用,而400℃时磨损机理主要表现为氧化磨损和剥落。基体室温时,磨痕中心区域有许多剥落坑,磨损主要以剥层机制和磨粒磨损为主；200℃时以粘着和剥落为主,而400℃时主要以剥层磨损、氧化磨损及粘着磨损为主；基体磨痕剖面显示磨痕区有三个不同的区域:氧化层、摩擦学白层和基体层。
　　 (5)与基体Ti-Al-Zr钛合金对比,相同工况下室温时涂层的摩擦系数稳定值和最大值均较基体小；但高温时涂层的摩擦系数却较基体稍高。无任是室温还是高温,涂层的磨损量均显著小于基体,磨痕损伤相对轻微,表现出良好的抗微动磨损性能,改善了基体的表面磨损性能。