TC4钛合金表面钎焊WC耐磨层的微动磨损性能研究_张军.pdf
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1、Electric Welding MachineVol.53 No.1Jan.2023第 53 卷 第 1 期2023 年1 月TC4钛合金表面钎焊WC耐磨层的微动磨损性能研究张军1,蔡晓龙1,高禩洋2,张甲2,王廷31.中国航发动力股份有限公司,陕西 西安 7100152.中国科学院金属研究所 师昌绪先进材料创新中心,辽宁 沈阳 1100163.哈尔滨工业大学(威海)先进焊接与连接国家重点实验室,山东 威海 264209摘要:钛合金叶片在实际工况中通常承受不同程度的微动磨损,为了提高钛合金叶片的耐磨性需要在其表面制备抗磨、抗冲击的耐磨层,研究耐磨层的微动磨损性能对叶片的工作可靠性和服役寿命具
2、有重要作用。采用钛基钎料及感应钎焊工艺,在TC4钛合金基体上制备WC耐磨层,研究载荷、位移和频率等工况参数对耐磨层微动磨损性能的影响。结果表明:在小载荷条件下,位移和频率的变化对耐磨层平均摩擦系数影响不大;在中、高载荷条件下,频率变化对耐磨层平均摩擦系数影响较小,位移变化对耐磨层平均摩擦系数影响较大。在小位移条件下,耐磨层平均摩擦系数随载荷的增大而减小;在中、大位移条件下,载荷的变化对耐磨层平均摩擦系数的影响较小。位移幅值的变化对耐磨层的磨损体积具有显著影响。耐磨层的磨损形式主要为磨粒磨损和黏着磨损。关键词:WC耐磨层;微动磨损;摩擦系数;磨损体积;磨痕形貌中图分类号:TG457.1 文献标识
3、码:A 文章编号:1001-2303(2023)01-0056-07Study on Fretting Wear Resistance of Brazed WC Wear Resistant Layer on TC4 Titanium AlloyZHANG Jun1,CAI Xiaolong1,GAO Siyang2,ZHANG Jia2,WANG Ting31.Aero Engine Corporation of China Aviation Power Co.,Ltd.,Xian 710015,China2.Shi-changxu Innovation Center for Advance
4、d Materials,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China3.State Key Labortary of Advanced Welding and Joining,Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai 264209,ChinaAbstract:Titanium alloy blades usually bear different degrees of fretting wear in actual working
5、conditions.In order to improve the wear resistance of titanium alloy blades,it is necessary to prepare wear-resistant and impact resistant wear-resistant layers on them.Studying the fretting wear performance of wear-resistant layers plays an important role in the working reliability and service life
6、 of blades.WC wear-resistant layer was brazed on TC4 substrate by induction brazing using titanium based brazing filler metal.The effects of different loads,displacements and frequency vibrations on fretting wear properties of wear-resistant layer were studied.The results show that under the conditi
7、on of small load,the change of displacement and frequency has little effect on the average friction coefficient of the wear-resistant layer;under the condition of medium and high load,the change of frequency has little influence on the average friction coefficient of the wear-resistant layer while t
8、he change of displacement has a great influence on it.Under the condition of small displacement,the average friction coefficient of wear-resistant layer decreases with the increase of load,while under the condition of medium and large displacement,the change of load has little effect on the average
9、friction coefficient of wear-resistant layer.The change of displacement amplitude has a significant influence on the wear volume of the wear-resistant layer.The wear mechanisms of the wear-resistant layer are abrasive wear and adhesive wear.*收稿日期:2022-11-22修回日期:2022-12-01作者简介:张军(1980),男,工程硕士,研究员级高级工
10、程师,主要从事航空发动机产品先进焊接工艺及研究工作。通信作者:张甲,男,博士,副研究员。DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2023.01.09Keywords:WC wear-resistant layer;fretting wear;friction coefficient;wear volume;surface morphology引用格式:张军,蔡晓龙,高禩洋,等.TC4钛合金表面钎焊WC耐磨层的微动磨损性能研究 J.电焊机,2023,53(1):56-62.Citation:ZHANG Jun,CAI Xiaolong,GAO Siyang,et al.Stud
11、y on Fretting Wear Resistance of Brazed WC Wear Resistant Layer on TC4 Titanium AlloyJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):56-62.0前言钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好等突出优点,在国防工业和民用工业中,尤其在航空领域有着广泛的应用1,已应用于航空发动机压气机和风扇叶片。但是钛合金摩擦磨损性能差,主要表现有:塑性剪切抗力较低;表面加工硬化能力差;摩擦磨损过程中产生的磨屑很容易碎化和去除,对钛合金基材表面保护作用微弱2。钛合金的摩擦磨损形式主要有:黏着磨损、磨
12、粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、氧化磨损和微动磨损3-4。根据钛合金构件服役工况不同,其主要磨损形式也不同。随着航空发动机运转速度越来越快,微动磨损成为零部件主要失效形式之一,尤其是钛合金叶片的叶冠及榫槽部位微动磨损现象严重。不同于常规的磨损,微动磨损是指在交变载荷作用下,两接触表面间发生振幅极小的相对运动5-7,一般为微米量级,这会导致构件间发生松动或破坏,甚至会萌生裂纹并发展成为结构疲劳的裂纹源,严重影响构件的疲劳寿命8,造成极大的危害。由于钛合金材料本身耐磨性差,往往不能满足工作要求,为了满足钛合金叶片的工作条件、提高可靠性和延长使用寿命,通常需要在钛合金叶片的相应部位制备抗磨、抗冲击的耐磨
13、层8-9。典型的耐磨层制备方法包括离子注入、化学镀、等离子喷涂、电子束物理气相沉积、超音速火焰喷涂、冷喷涂、激光熔覆、表面氧化技术等10-11。针对风扇钛合金叶片的结构特点通常采用感应钎焊耐磨层制备工艺12,但目前对于感应钎焊制备的耐磨层的摩擦磨损行为,特别是微动磨损性能缺乏系统的研究与评价,限制了耐磨层在苛刻工况条件下的进一步应用。本文采用钛基钎料,通过感应钎焊工艺,在常用叶片材料TC4钛合金表面制备了碳化钨(WC)耐磨层。通过模拟工况的微动磨损试验,研究了载荷、位移、频率等工况参数对WC耐磨层的摩擦系数、磨损体积的演变规律,研究结果对于耐磨层的工程化及工程应用具有一定的参考价值。1试验材料
14、及方法试验基材为TC4钛合金,其化学成分如表1所示,合金组织为典型的等轴+双相组织结构。试验过程中,首先将TC4待焊面用合金锉去除表面氧化物,将B-Ti57CuZrNi-S粉状钎料(化学成分见表2)与铸造WC硬质合金粉末按照质量分数比50%:50%均匀混合,粉状钎料粒度为-150目,WC硬质合金粉末粒度为-60+80目,再用粘接剂将混合粉末调制成膏状,置于试样顶部,在充氩高频感应钎焊设备中进行钎焊,钎焊温度960975。微动磨损试样耐磨层尺寸13.0 mm4.1 mm,厚度0.30.4 mm。微动磨损试样实物如图1所示。微动磨损试验示意如图2所示。待测样品为下试样,通过夹具水平固定;上试样(氮
15、化硅陶瓷球,直径4 mm)至于水平位置O处;当对上试样施加的法向载荷达到预设值并保持5 s后,启动电机带动上表1TC4合金化学成分(原子百分比,%)Table 1Chemical composition of TC4 alloy(at.%)表2钎料化学成分(原子百分比,%)Table 2Chemical composition of brazing filler metal(at.%)第 1 期张军,等:TC4 钛合金表面钎焊 WC 耐磨层的微动磨损性能研究Keywords:WC wear-resistant layer;fretting wear;friction coefficient;w
16、ear volume;surface morphology引用格式:张军,蔡晓龙,高禩洋,等.TC4钛合金表面钎焊WC耐磨层的微动磨损性能研究 J.电焊机,2023,53(1):56-62.Citation:ZHANG Jun,CAI Xiaolong,GAO Siyang,et al.Study on Fretting Wear Resistance of Brazed WC Wear Resistant Layer on TC4 Titanium AlloyJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):56-62.0前言钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性
17、好等突出优点,在国防工业和民用工业中,尤其在航空领域有着广泛的应用1,已应用于航空发动机压气机和风扇叶片。但是钛合金摩擦磨损性能差,主要表现有:塑性剪切抗力较低;表面加工硬化能力差;摩擦磨损过程中产生的磨屑很容易碎化和去除,对钛合金基材表面保护作用微弱2。钛合金的摩擦磨损形式主要有:黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、氧化磨损和微动磨损3-4。根据钛合金构件服役工况不同,其主要磨损形式也不同。随着航空发动机运转速度越来越快,微动磨损成为零部件主要失效形式之一,尤其是钛合金叶片的叶冠及榫槽部位微动磨损现象严重。不同于常规的磨损,微动磨损是指在交变载荷作用下,两接触表面间发生振幅极小的相对运动
18、5-7,一般为微米量级,这会导致构件间发生松动或破坏,甚至会萌生裂纹并发展成为结构疲劳的裂纹源,严重影响构件的疲劳寿命8,造成极大的危害。由于钛合金材料本身耐磨性差,往往不能满足工作要求,为了满足钛合金叶片的工作条件、提高可靠性和延长使用寿命,通常需要在钛合金叶片的相应部位制备抗磨、抗冲击的耐磨层8-9。典型的耐磨层制备方法包括离子注入、化学镀、等离子喷涂、电子束物理气相沉积、超音速火焰喷涂、冷喷涂、激光熔覆、表面氧化技术等10-11。针对风扇钛合金叶片的结构特点通常采用感应钎焊耐磨层制备工艺12,但目前对于感应钎焊制备的耐磨层的摩擦磨损行为,特别是微动磨损性能缺乏系统的研究与评价,限制了耐磨
19、层在苛刻工况条件下的进一步应用。本文采用钛基钎料,通过感应钎焊工艺,在常用叶片材料TC4钛合金表面制备了碳化钨(WC)耐磨层。通过模拟工况的微动磨损试验,研究了载荷、位移、频率等工况参数对WC耐磨层的摩擦系数、磨损体积的演变规律,研究结果对于耐磨层的工程化及工程应用具有一定的参考价值。1试验材料及方法试验基材为TC4钛合金,其化学成分如表1所示,合金组织为典型的等轴+双相组织结构。试验过程中,首先将TC4待焊面用合金锉去除表面氧化物,将B-Ti57CuZrNi-S粉状钎料(化学成分见表2)与铸造WC硬质合金粉末按照质量分数比50%:50%均匀混合,粉状钎料粒度为-150目,WC硬质合金粉末粒度
20、为-60+80目,再用粘接剂将混合粉末调制成膏状,置于试样顶部,在充氩高频感应钎焊设备中进行钎焊,钎焊温度960975。微动磨损试样耐磨层尺寸13.0 mm4.1 mm,厚度0.30.4 mm。微动磨损试样实物如图1所示。微动磨损试验示意如图2所示。待测样品为下试样,通过夹具水平固定;上试样(氮化硅陶瓷球,直径4 mm)至于水平位置O处;当对上试样施加的法向载荷达到预设值并保持5 s后,启动电机带动上表1TC4合金化学成分(原子百分比,%)Table 1Chemical composition of TC4 alloy(at.%)Al5.56.75V3.54.5Ti余量C0.1N0.05Fe0
21、.5O0.2表2钎料化学成分(原子百分比,%)Table 2Chemical composition of brazing filler metal(at.%)Ti余量Cu2124Zr1114Ni810O0.3H0.3Ca0.1图1WC耐磨层样品的实物照片Fig.1Picture of WC wear-resistant layer sample572023 年试样在O处以恒定的载荷、位移和频率振动。试验参数为:法向载荷20 N、50 N、100 N,位移幅值20 m、50 m、100 m,频率40 Hz、100 Hz,试验时间均为1 h。微动磨损试验在RTEC MFT-3000型腐蚀微动磨损
22、试验机上进行,试验过程中切向力和法向力由上试样夹具后的双向力传感器直接测得,二者比值为摩擦系数;试验后,通过UP-WLI型白光干涉仪对待测样品(耐磨层)的磨损体积进行测量。用Quanta600扫描电子显微镜对磨痕进行微观分析,用电子探针(EPMA-1600)测定磨斑区域的元素。2试验结果及分析2.1涂层形貌及硬度对钎焊试样进行了纵向解剖,其显微组织如图3所示,耐磨层组织均匀致密,WC硬质合金颗粒被牢固地包裹在钛基钎料中,耐磨层与TC4钛合金基体形成了良好的冶金结合。耐磨层中的WC颗粒和钛基钎料的硬度差异显著,显微硬度分别为1 820 HV和456 HV。图3耐磨层形貌Fig.3Morpholo
23、gy of the wear-resistant coating2.2摩擦系数图4图6分别为不同载荷、频率和位移条件下耐磨层的平均摩擦系数。由图4可知,小载荷(20 N)条件下,频率40 Hz,位移20 m、50 m、100 m时平均摩擦系数分别为0.64、0.64、0.62;频率100 Hz,位移20 m、50 m、100 m时平均摩擦系数分别为0.69、0.68、0.62,可见小载荷条件下频率和位移对耐磨层平均摩擦系数的影响不大。由图5可知,中载荷(50 N)条件下,频率40 Hz,位移20 m、50 m、100 m时平均摩擦系数分别为0.40、0.65、0.54;频率 100 Hz,位移
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