發(fā)布時(shí)間：2020-11-14 23:06

　　 鈦合金本身具有密度較小,耐熱性、耐腐蝕性、加工性能良好等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)。鈦合金不僅用作飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料,還被用于一些重要部件,如:航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓縮機(jī)盤和葉片。鈦合金被使用的很多工況都存在沖擊磨損現(xiàn)象,如果發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生損傷將會(huì)給航空航天器帶來巨大的安全隱患。故本文基于改造后的能量控制沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)TC4和TC17鈦合金進(jìn)行了沙粒條件下的沖擊磨損試驗(yàn)。將沙粒條件下和無沙條件下鈦合金的沖擊動(dòng)力學(xué)響應(yīng)及磨損情況進(jìn)行了對(duì)比,并研究了沙粒粒徑、沙粒種類、沙粒配比、沖擊次數(shù)、沖擊速度等試驗(yàn)參數(shù)對(duì)鈦合金沖擊磨損行為的影響。主要結(jié)論如下:(1)在沖擊界面添加沙粒能顯著影響材料的磨損行為。與無沙條件相比,硬質(zhì)沙粒條件下的沖擊接觸時(shí)間、能量吸收率、磨損量明顯增加,沖擊力峰值明顯減小。(2)在軟質(zhì)沙粒條件下,隨著沙粒粒徑增大,鈦合金的沖擊力峰值降低,沖擊接觸時(shí)間變長、沖擊能量吸收率和磨損面積明顯增加,磨屑堆積體積呈現(xiàn)增加的趨勢。在硬質(zhì)沙粒條件下,隨著沙粒粒徑的增加,磨損區(qū)域面積增加;沖擊力峰值、能量吸收率和磨損深度先增加后減小。(3)在不同沙粒比例條件下,隨著沖擊次數(shù)的增加,沖擊力峰值和沖擊返回速度明顯減小,磨損量和磨損率增加。當(dāng)沙粒比例為50/50時(shí),在沖擊次數(shù)不大于5000次條件下表現(xiàn)為―負(fù)磨損‖,當(dāng)沖擊次數(shù)不小于10000次時(shí)表現(xiàn)為―正磨損‖。純軟質(zhì)條件下始終表現(xiàn)為―負(fù)磨損‖。(4)在不同的沙粒比例條件下,隨著沖擊速度的增加,磨損量和磨損率的變化趨勢不同。當(dāng)沙粒比例為50/50時(shí),隨著沖擊速度增加,磨損體積從―負(fù)‖逐漸變?yōu)楱D正‖。純軟質(zhì)條件下始終表現(xiàn)為―負(fù)磨損‖。(5)磨損體積和磨損率隨著硬質(zhì)沙粒比例的提高而增加。當(dāng)軟、硬質(zhì)沙粒的比例為75/25或100/0時(shí),由于軟質(zhì)沙粒破碎并粘附在試樣表面,可能會(huì)出現(xiàn)―負(fù)磨損‖。沖擊力峰值和吸收能量隨著沖擊速度的增大而增大,而接觸時(shí)間和能量吸收率減小。(6)在無沙粒的環(huán)境中,鈦合金的磨損機(jī)制以剝層磨損為主,且磨損區(qū)域出現(xiàn)了明顯氧化。而在軟質(zhì)沙粒的條件下,鈦合金的磨損機(jī)制為切削作用和磨屑堆積。在硬質(zhì)沙粒條件下,沙粒環(huán)境下的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為微觀切削和擠壓剝落。在混合沙粒條件下,磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為硬質(zhì)沙粒的切削、擠壓剝落以及軟質(zhì)沙粒破碎在試樣表面形成保護(hù)殼。
【學(xué)位單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TG146.23
【部分圖文】：

沖擊磨損一般指兩接觸表面之間反復(fù)接觸、碰撞所造成的各個(gè)表面磨損[17]。沖擊磨損普遍存在于航空工業(yè)、礦山機(jī)械、管道輸送、核能發(fā)電、鐵路機(jī)械等諸多領(lǐng)域(見圖1-1),是導(dǎo)致機(jī)械零部件失效的重要原因之一。因此,近年來研究人員對(duì)沖擊磨損進(jìn)行了大量的研究[18]。研究發(fā)現(xiàn)沖擊速度、沖擊次數(shù)、沖擊角度、環(huán)境溫度及磨料特征等試驗(yàn)條件都會(huì)影響沖擊磨損[19-21]。Islam M A[22]研究了磨粒的速度對(duì)API X42鋼沖擊磨損的影響,發(fā)現(xiàn)材料的磨損率隨著沖擊速度的增加而增加。研究人員發(fā)現(xiàn)沖擊磨損機(jī)理及磨損率與沖擊角度有關(guān)[23-24]。AISI 304和AISI 316不銹鋼在沖擊角度為60°時(shí)磨損率最高,而AISI 420不銹鋼在沖擊角度為30°時(shí)的磨損率較高[25-26]。根據(jù)沖擊角度的不同,Al-Bukhaiti M A將1017不銹鋼的磨損機(jī)理分為三種情況[27]:當(dāng)沖擊角度小于15°時(shí),磨損主要基于磨粒的劃削和擦削;當(dāng)沖擊角度大于15°小于75°時(shí),磨損主要受切削和犁溝的影響;當(dāng)沖擊角度大于75°時(shí),磨損以磨粒擠壓材料導(dǎo)致材料損失為主。Desale[28]分別用石英、氧化鋁和碳化硅三種磨粒沖擊試樣,發(fā)現(xiàn)不同的磨粒會(huì)導(dǎo)致不同的磨損率。隨著沖擊速度的增加,樣品的磨損程度也會(huì)增加[22,29]。與去離子水環(huán)境中的磨損情況相比,當(dāng)沖擊磨損發(fā)生在腐蝕性的鹽溶液中時(shí),具有馬氏體相層狀微觀結(jié)構(gòu)的鋼材容易被腐蝕并造成較大的磨損[30]。Li等[31-32]用直徑180μm的石榴石顆粒以650m/s的速度撞擊高強(qiáng)度鋼,研究了材料高速粒子沖擊條件下材料的去除機(jī)制。鄧[33]研究了粒子旋轉(zhuǎn)情況對(duì)延展性較好的金屬EN-24鋼沖擊磨損的影響。研究結(jié)果表明:粒子以―后旋‖的狀態(tài)撞擊試樣比―頂旋‖和―無旋‖帶來更高的磨損率,當(dāng)沖擊角度較小時(shí)候這種現(xiàn)象會(huì)更加明顯�；�于此作者對(duì)Finnie-Bitter模型進(jìn)行了修正,發(fā)現(xiàn)修正后的模型能夠更好的預(yù)測粒子的沖擊磨損行為。Wong等[34]和Njobuenwu等[35]分析了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),并建立了預(yù)測固體粒子沖擊磨損的模型。

(1)早在1972年,國際商業(yè)機(jī)器公司研發(fā)了第一臺(tái)沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)[44]。試驗(yàn)機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)飛輪和沖擊盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),見圖1-2。在實(shí)驗(yàn)的過程中,沖擊盤與試樣發(fā)生碰撞,從而完成沖擊實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)沖擊速度、沖擊次數(shù)的控制。(2)2017年,上海交通大學(xué)的Binggang Liu等[45]人使用MLD-10型動(dòng)載磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了Si含量對(duì)納米結(jié)構(gòu)貝氏體鋼沖擊磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)下試樣旋轉(zhuǎn),通過調(diào)節(jié)重錘的高度來控制實(shí)驗(yàn)沖擊的能量。在試樣之間添加磨料,重錘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得試樣產(chǎn)生沖擊磨損。試驗(yàn)機(jī)可以調(diào)節(jié)沖擊的能量和下試樣的轉(zhuǎn)速。

(2)2017年,上海交通大學(xué)的Binggang Liu等[45]人使用MLD-10型動(dòng)載磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)研究了Si含量對(duì)納米結(jié)構(gòu)貝氏體鋼沖擊磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)下試樣旋轉(zhuǎn),通過調(diào)節(jié)重錘的高度來控制實(shí)驗(yàn)沖擊的能量。在試樣之間添加磨料,重錘上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得試樣產(chǎn)生沖擊磨損。試驗(yàn)機(jī)可以調(diào)節(jié)沖擊的能量和下試樣的轉(zhuǎn)速。(3)2008年奧地利摩擦學(xué)研究中心研發(fā)了HT-CIAT型循環(huán)沖擊磨損試驗(yàn)機(jī)[46,47]。如圖1-4所示,沖桿能夠上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)來沖擊樣品表面。同時(shí),試驗(yàn)機(jī)要求試驗(yàn)樣品安裝角度固定為45°,以方便磨粒不斷的流過磨損區(qū)域。試驗(yàn)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)室溫至700攝氏度的溫度范圍,并可以控制磨料的流速。
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