环境温度对tc11合金磨损行为的影响
毕业设计论文中文毕业设计论文中文将TC11钛合金在25~600℃下使用高温磨损机对其进行干滑动磨损实验，研究了温度对TC11钛合金磨损行为的影响。使用扫描电镜（SEM）、X射线衍射分析仪（XRD）和能谱分析仪（EDS）对TC11钛合金磨面和亚表面的形貌、物相与成分进行了分析，并对磨损机制进行了探讨。在室温下，磨损率随着载荷增加呈线性增加，400℃下，载荷在100N前，磨损率略有上升，但当载荷进一步增加，磨损率却呈下降趋势，只出现小幅度波动。600℃下，磨损率最低，并且当载荷上升时，磨损率并不随之上升。由扫描电镜得出的图片可知在室温下，磨面上只有沿滑动方向的犁沟和部分金属颗粒；400℃时，除了金属颗粒与沿滑动方向的犁沟，出现了剥落坑和光滑的黑色氧化区。600℃下黑色氧化层更为致密，使得钛合金表面硬度上升，磨损率维持不变。关键词 TC11合金，磨损行为，磨损机制，干滑动
目 录
1 绪论 1
1.1 选题的目的及意义 1
1.2 钛合金的摩擦磨损研究现状 2
1.3 常见的磨损类型以及干摩擦磨损 5
2 实验材料与方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验过程 9
2.2.1 试样的制备 9
2.2.2 磨损实验 9
2.2.3 微观分析 10
3 结果与讨论 11
3.1 TC11的显微组织 11
3.2 TC11合金的磨损量及磨损率 11
3.3 TC11合金的磨面XRD物相图谱分析 12
3.4 TC11合金对磨后的磨面形貌 13
3.5 TC11合金对磨后的磨损剖面形貌 15
3.6 讨论 17
3.7 经济性分析 18
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
1 绪论
1.1 选题的目的及意义
钛的构型以882℃为分界线，低于882℃时为密排六方体结构，称为α钛，高于882℃为体心立方结构，称为β钛，钛合金可根据其基体组织分为三种类型：α钛合金、（α+β）钛合金、β钛 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
合金[6]。现代钛合金的研究起源于美国，类型为TC4钛合金(Ti6Al4V)，许多的钛合金都可以看成TC4钛合金的方向性改良版本，例如TC11钛合金(Ti6Al3.5Mo1.8Zr)等。根据使用目的区分钛合金，可以将钛合金区分为以下类型：作为骨干结构类材料使用的高强高韧钛合金；作为发动机材料使用的高温钛合金；作为航空航天发动机部件使用的阻燃钛合金；制作存储低温液体容器的低温钛合金；针对化工、船舶、制药和冶金等领域开发的耐蚀钛合金和医疗用的医用钛合金等。
钛合金是一种于20世纪50年代开始发展的结构金属，其主要成分是钛金属，加入了其他各种元素形成的合金。根据加入的元素不同，形成的钛合金属性也各不相同。又因为钛合金具有各种优良的属性，因此各个领域都用运用到钛合金：
(1)航天航空方面是世界上最大的钛金属的消费行业，其兴衰对于钛合金的研究、生产与应用有举足轻重的地位，航空用钛的需求量占钛总需求量的百分比也是衡量一个国家航天航空发展水平的重要标志。钛以及钛合金在航天航空工业中主要应用于航空发动机的机翔、叶片、压气机盘等关键构架与机身的大梁内壁版等结构[1]。
(2)在生物器械领域，钛合金因为拥有良好的生物相容性、耐生物体腐蚀、无毒、质量轻等特点，被认为是理想的医用金属材料。目前被广泛用于心脏外科、人工关节等领域[2]。
(3)在化工工业中，因为钛对氯离子有优良的耐腐蚀性，因此被大量用于氯碱工业之中。目前在化工中，钛主要用于制造脱氯塔、氯气冷却洗涤塔和金属氧电极电解槽等[3]。
(4)钛合金又因其重量轻和耐蚀性高与冲击耐性好的优点，被广泛运用于制造武器的关键部位[4]。综上所述，可以认为，钛合金是新世界最重要的金属之一[5]。
钛合金的应用范围十分广泛，但是钛合金也有一些十分重要的缺陷：硬度低、耐磨性差。使其的使用范围受到了十分严格的限制。导致其拥有这些特性的原因是因为在通常状态之下，钛合金表面的摩擦层会参与干滑动磨损，但因工作情况不同，摩擦层的结构与成分都会变化，因此在磨损中起到不同作用。摩擦层是否起到保护或减磨作用，取决于摩擦层的数量与致密度和摩擦氧化物的含量[7]。因此如何优化摩擦层成为了目前研究钛合金磨损机理的一个关键点[8]。为此，许多研究者在不同的方向研究钛合金的摩擦性质和如何优化钛合金的摩擦层以及减小钛合金的摩擦损耗增加硬度。
本次实验便是为了研究TC11钛合金的在不同的环境温度下受到不同载荷后TC11钛合金的摩擦磨损行为受到的影响。重点是利用XRD、EDS与扫描电镜对TC11合金的磨损表面进行各项分析，总结TC11合金在不同工作条件下表现出的摩擦磨损特性。
1.2 钛合金的摩擦磨损研究现状
张秋阳[9，10]等人研究了在不同温度下施加不同的载荷，使钛合金试件在三种不同材料的磨盘上进行摩擦。在观察磨损表面形貌特征与收集磨损数据后，得出结论：在400℃下，当载荷超过200N时，钛合金的磨损率快速提升，但当温度达到500℃时，TC11表现出优异的高温耐磨性，磨损率不随着载荷的提升而变化，而是根据磨盘的材质变化。
胡汉军[11]等人使用微弧氧化技术（MAO）和PTFE涂层制作了具备多孔微弧氧化层和PTFE涂层的材料用以研究其在高真空条件下的摩擦学性能优势以及变化规律。用金相显微镜观察实验材料后表明：微弧氧化并不会影响材料本身的表面形貌，而是在原本的表面形貌之外附加一层微弧氧化层，在不改变材料原本性能的同时，施加了一层多孔的保护层。当对比同等载荷下的喷砂/粘结PTFE涂层和MAO/粘结PTFE涂层的摩擦曲线，他们得出的结论是：MAO/粘结PTFE涂层的摩擦曲线的耐磨寿命远远高于喷砂/粘结PTFE涂层；且摩擦系数变化趋势在轻载和中载的情况下更为平缓。在镜像显微镜下可以明显看出喷砂/粘结PTFE涂层磨损后粘结层残存较少，并且在表层，因喷砂的作用形成的卷曲金属毛刺被摩擦对偶反复作用下倾倒，无法完成对PTFE层的固定，造成PTFE涂层内部裂纹产生并快速扩散。但MAO/粘结PTFE层在摩擦之后使用金相显微镜观察，其基层于微弧氧化层之间的结合依旧十分紧密，对PTFE层相较于被摩擦之前并没有太大的差异。因此，他们认为MAO/粘结PTFE涂层是对优化钛合金摩擦学性能的一个正确的方向。
目 录
1 绪论 1
1.1 选题的目的及意义 1
1.2 钛合金的摩擦磨损研究现状 2
1.3 常见的磨损类型以及干摩擦磨损 5
2 实验材料与方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验过程 9
2.2.1 试样的制备 9
2.2.2 磨损实验 9
2.2.3 微观分析 10
3 结果与讨论 11
3.1 TC11的显微组织 11
3.2 TC11合金的磨损量及磨损率 11
3.3 TC11合金的磨面XRD物相图谱分析 12
3.4 TC11合金对磨后的磨面形貌 13
3.5 TC11合金对磨后的磨损剖面形貌 15
3.6 讨论 17
3.7 经济性分析 18
结 论 20
致 谢 21
参考文献 22
1 绪论
1.1 选题的目的及意义
钛的构型以882℃为分界线，低于882℃时为密排六方体结构，称为α钛，高于882℃为体心立方结构，称为β钛，钛合金可根据其基体组织分为三种类型：α钛合金、（α+β）钛合金、β钛 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
合金[6]。现代钛合金的研究起源于美国，类型为TC4钛合金(Ti6Al4V)，许多的钛合金都可以看成TC4钛合金的方向性改良版本，例如TC11钛合金(Ti6Al3.5Mo1.8Zr)等。根据使用目的区分钛合金，可以将钛合金区分为以下类型：作为骨干结构类材料使用的高强高韧钛合金；作为发动机材料使用的高温钛合金；作为航空航天发动机部件使用的阻燃钛合金；制作存储低温液体容器的低温钛合金；针对化工、船舶、制药和冶金等领域开发的耐蚀钛合金和医疗用的医用钛合金等。
钛合金是一种于20世纪50年代开始发展的结构金属，其主要成分是钛金属，加入了其他各种元素形成的合金。根据加入的元素不同，形成的钛合金属性也各不相同。又因为钛合金具有各种优良的属性，因此各个领域都用运用到钛合金：
(1)航天航空方面是世界上最大的钛金属的消费行业，其兴衰对于钛合金的研究、生产与应用有举足轻重的地位，航空用钛的需求量占钛总需求量的百分比也是衡量一个国家航天航空发展水平的重要标志。钛以及钛合金在航天航空工业中主要应用于航空发动机的机翔、叶片、压气机盘等关键构架与机身的大梁内壁版等结构[1]。
(2)在生物器械领域，钛合金因为拥有良好的生物相容性、耐生物体腐蚀、无毒、质量轻等特点，被认为是理想的医用金属材料。目前被广泛用于心脏外科、人工关节等领域[2]。
(3)在化工工业中，因为钛对氯离子有优良的耐腐蚀性，因此被大量用于氯碱工业之中。目前在化工中，钛主要用于制造脱氯塔、氯气冷却洗涤塔和金属氧电极电解槽等[3]。
(4)钛合金又因其重量轻和耐蚀性高与冲击耐性好的优点，被广泛运用于制造武器的关键部位[4]。综上所述，可以认为，钛合金是新世界最重要的金属之一[5]。
钛合金的应用范围十分广泛，但是钛合金也有一些十分重要的缺陷：硬度低、耐磨性差。使其的使用范围受到了十分严格的限制。导致其拥有这些特性的原因是因为在通常状态之下，钛合金表面的摩擦层会参与干滑动磨损，但因工作情况不同，摩擦层的结构与成分都会变化，因此在磨损中起到不同作用。摩擦层是否起到保护或减磨作用，取决于摩擦层的数量与致密度和摩擦氧化物的含量[7]。因此如何优化摩擦层成为了目前研究钛合金磨损机理的一个关键点[8]。为此，许多研究者在不同的方向研究钛合金的摩擦性质和如何优化钛合金的摩擦层以及减小钛合金的摩擦损耗增加硬度。
本次实验便是为了研究TC11钛合金的在不同的环境温度下受到不同载荷后TC11钛合金的摩擦磨损行为受到的影响。重点是利用XRD、EDS与扫描电镜对TC11合金的磨损表面进行各项分析，总结TC11合金在不同工作条件下表现出的摩擦磨损特性。
1.2 钛合金的摩擦磨损研究现状
张秋阳[9，10]等人研究了在不同温度下施加不同的载荷，使钛合金试件在三种不同材料的磨盘上进行摩擦。在观察磨损表面形貌特征与收集磨损数据后，得出结论：在400℃下，当载荷超过200N时，钛合金的磨损率快速提升，但当温度达到500℃时，TC11表现出优异的高温耐磨性，磨损率不随着载荷的提升而变化，而是根据磨盘的材质变化。
胡汉军[11]等人使用微弧氧化技术（MAO）和PTFE涂层制作了具备多孔微弧氧化层和PTFE涂层的材料用以研究其在高真空条件下的摩擦学性能优势以及变化规律。用金相显微镜观察实验材料后表明：微弧氧化并不会影响材料本身的表面形貌，而是在原本的表面形貌之外附加一层微弧氧化层，在不改变材料原本性能的同时，施加了一层多孔的保护层。当对比同等载荷下的喷砂/粘结PTFE涂层和MAO/粘结PTFE涂层的摩擦曲线，他们得出的结论是：MAO/粘结PTFE涂层的摩擦曲线的耐磨寿命远远高于喷砂/粘结PTFE涂层；且摩擦系数变化趋势在轻载和中载的情况下更为平缓。在镜像显微镜下可以明显看出喷砂/粘结PTFE涂层磨损后粘结层残存较少，并且在表层，因喷砂的作用形成的卷曲金属毛刺被摩擦对偶反复作用下倾倒，无法完成对PTFE层的固定，造成PTFE涂层内部裂纹产生并快速扩散。但MAO/粘结PTFE层在摩擦之后使用金相显微镜观察，其基层于微弧氧化层之间的结合依旧十分紧密，对PTFE层相较于被摩擦之前并没有太大的差异。因此，他们认为MAO/粘结PTFE涂层是对优化钛合金摩擦学性能的一个正确的方向。
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