鈦合金航空花鍵副表面改性的微動摩擦性能測試研究*

魯 雄 ，王 帥，趙 廣，王重陽

(1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002; 2.大連理工大學，遼寧 大連 116024)

0 引 言

新一代直升機的高速發展對防腐性能提出了更高的需求，鈦合金作為一種高比強度、防腐性能優良的材料，在航空發動機及傳動系統上應用得也越來越廣泛[1-7]。采用鈦合金材料(如TC4、TC6等)設計航空花鍵副，可以有效提高花鍵副的防腐性能，并具有一定的減重作用。目前國內鈦合金花鍵表面的耐磨性能一直無法得到有效提升，且航空花鍵副在直升機的起飛、巡航與機動飛行、著陸過程中承受周期性與沖擊性載荷，不僅會在花鍵副工作齒面產生交變接觸應力，而且會導致接觸齒面間的微幅振動。由于促使這種微幅振動的內、外部激勵無法消除，使得該微幅振動不可避免，從而引起花鍵副的微動磨損。因此，鈦合金航空花鍵副的工程應用需要預先對其表面進行改性/鍍層強化以提高耐磨性能，同時為有效掌握不同表面改性/鍍層的花鍵副表面微動磨損情況，精準監控花鍵表面的工作狀態，避免因花鍵磨損過度而導致齒間動載荷增大，影響直升機的使用安全，需要對不同表面改性/鍍層的花鍵副微動摩擦性能進行測試評估。

此項研究提出在某鈦合金航空花鍵副表面進行無氫滲碳(以下簡稱WHSC)表面改性及涂覆DLC、CrN、TiN鍍層，以提高航空花鍵副表面的耐磨性能，并針對四種表面改性/鍍層航空花鍵副開展了不同工況條件下的摩擦性能測試對比研究(筆者針對各表面改性/鍍層的摩擦性能測試研究，僅代表現階段各表面改性/鍍層工藝水平條件下的測試結論)，對于鈦合金航空花鍵副表面改性/鍍層的選擇和應用具有一定的指導意義。

1 試驗參數與微動工況

針對某直升機傳動系統動力傳動花鍵材料(TC4)、載荷與工況特點，選用點-面接觸微動磨損方式，上試件采用氮化硅陶瓷球，下試件采用TC4鈦合金基體的樣件，樣件包括TC4基體、DLC、TiN、CrN鍍層、WHSC表面改性試件，開展微動摩擦性能試驗測試，試驗狀態參數包括如下所述。

(1) 溫度影響，包括常溫(24～27 ℃)與服役溫度(100 ℃)兩種工況。

(2) 潤滑狀態影響，包括干摩擦的無潤滑和油潤滑條件。

(3) 接觸載荷影響，考慮花鍵實際載荷情況，選定載荷范圍在3～15 N之間。

(4) 微動滑移行程(振幅)影響，由于微動滑移行程模擬振幅變化，微動行程對磨損的影響一般為非線性關系，按照50 μm、100 μm、200 μm三類行程開展磨損試驗。

(5) 微動頻率影響，由于花鍵微動頻率與轉速有關，轉速變化引起的微動頻率改變對磨損具有重要影響，按照25、50、75 Hz三種微動頻率進行測試。

(6) 隨機不確定因素影響，每個樣件進行三組試驗。試驗樣件參數與試驗工況如表1所列。

表1 試驗樣件參數及試驗工況

摩擦試驗采用清華大學摩擦學國家重點試驗室“SRV-4高溫摩擦磨損試驗機”，該試驗機是一種用途廣泛的摩擦、磨損試驗機及潤滑油、添加劑性能評定裝置。主要對材料在室溫或高溫條件下、有潤滑或干摩擦條件下的摩擦磨損性能進行測試；對潤滑介質承載能力、高溫減摩性能進行評定。SRV-4高溫摩擦磨損試驗機實物如圖1、圖2所示。

圖1 SRV-4高溫摩擦磨損試驗機實物圖 圖2 SRV-4高溫摩擦磨損試驗機局部加載結構實物圖

2 摩擦性能試驗測試

摩擦系數(也稱摩擦因數)，是指兩接觸表面間的最大摩擦力和作用在其中一個表面上的正壓力的比值。需測量不同表面處理、溫度下的摩擦因數變化。

μ=Ff/FN

式中：Ff為最大摩擦力，N；FN為作用在接觸表面的正壓力，N。

通過試驗，記錄實時摩擦系數隨時間變化的數據，通過后處理分析獲得摩擦系數隨磨損時間變化的曲線，評估試件表面的摩擦性能。

2.1 TC4基體摩擦性能測試

根據磨損試驗記錄的摩擦系數結果，TC4基體樣件在各載荷工況下首次測量的摩擦系數隨時間變化曲線如圖3所示。各工況重復測試穩定后期記錄的摩擦系數及其平均值隨載荷變化關系如圖4所示。

圖3 TC4-首次摩擦系數隨時間變化規律

圖4 TC4-穩定后期摩擦系數

測試結果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數隨磨損時間持續總體下降，然后保持相對穩定。

(2) 各載荷工況的穩定后期平均摩擦系數隨載荷增加而下降，摩擦系數范圍在0.15～0.26之間。

(3) 總體而言，TC4基體摩擦系數重復性較差，分散度較大，可能是TC4基體表面沒有鍍層、表面硬度低，且表面粗糙度大，更容易產生黏著、磨粒、氧化磨損，使摩擦與磨損狀態復雜。

TC4基體摩擦性能測試整體試驗重復性較差，在花鍵實際服役過程中，不適合作為磨損的直接接觸材料。

2.2 DLC鍍層摩擦性能測試

根據磨損試驗記錄的摩擦系數結果，各載荷工況下首次測量的摩擦系數隨時間變化曲線如圖5所示。各工況重復測試穩定后期記錄的摩擦系數及其平均值隨載荷變化關系如圖6所示。

圖5 DLC-首次摩擦系數隨時間變化規律

圖6 DLC-穩定后期摩擦系數

測試結果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數隨磨損時間持續總體下降，然后保持相對穩定。

(2) 各載荷工況的穩定后期平均摩擦系數隨載荷波動并總體下降。摩擦系數范圍在0.14～0.22之間。

總體而言，DLC鍍層摩擦系數重復性較好。

2.3 TiN鍍膜摩擦性能測試

根據磨損試驗記錄的摩擦系數結果，各載荷工況下首次測量的摩擦系數隨時間變化曲線如圖7所示。各工況重復測試穩定后期記錄的摩擦系數及其平均值隨載荷變化關系如圖8所示。

圖7 TiN-首次摩擦系數隨時間變化規律

圖8 TiN-穩定后期摩擦系數

測試結果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數隨磨損時間總體下降，然后保持相對穩定。

(2) 各載荷工況的穩定后期平均摩擦系數隨載荷下降，當載荷較大時較為穩定。

總體而言，TiN鍍層摩擦系數重復性好，摩擦與磨損過程穩定。由于TiN鍍層表面硬度適中，測試精度高，重復性好。

2.4 CrN鍍膜摩擦性能測試

根據磨損試驗記錄的摩擦系數結果，各載荷工況下首次測量的摩擦系數隨時間變化曲線如圖9所示。各工況重復測試穩定后期記錄的摩擦系數及其平均值隨載荷變化關系如圖10所示。

圖9 CrN-首次摩擦系數隨時間變化規律

圖10 CrN-穩定后期摩擦系數

測試結果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數隨載荷變化持續總體下降，然后保持相對穩定。

(2) 各載荷工況的穩定后期平均摩擦系數隨載荷下降，當載荷較大時較為穩定。

總體而言，CrN鍍層摩擦系數重復性好，摩擦與磨損過程穩定。由于CrN鍍層表面硬度適中，測試精度高，重復性好。

2.5 WHSC表面改性

根據磨損試驗記錄的摩擦系數結果，各載荷工況下首次測量的摩擦系數隨時間變化曲線如圖11所示。各工況重復測試穩定后期記錄的摩擦系數及其平均值隨載荷變化關系如圖12所示。

圖11 WHSC-首次摩擦系數隨時間變化規律

圖12 WHSC-穩定后期摩擦系數

測試結果表明如下。

(1) 各載荷工況的摩擦系數隨磨損時間在初始階段迅速上升，然后保持相對穩定，有略微上升趨勢。

(2) 各載荷工況的穩定后期平均摩擦系數隨載荷下降，當載荷較大時較為穩定。

由于WHSC鍍層表面存在明顯犁形形貌，測試精度較差，重復性也較差。

3 微動摩擦性能測試結果分析

針對DLC、TiN、CrN鍍層、WHSC表面改性試件摩擦系數測試結果進行統計，分別如表2、圖13所示。

表2 摩擦系數對比(載荷)

圖13 摩擦系數隨載荷變化對比

測試結果綜合對比表明如下。

各類鍍層摩擦系數隨載荷增大而總體下降，WHSC最大，CrN摩擦系數最小，TiN摩擦系數較小；各載荷下，摩擦系數平均值由大到小順序為：

WHSC>DLC>TiN>CrN

針對DLC、TiN、CrN鍍層、WHSC表面改性四類試件，分別統計微動頻率、行程、潤滑和溫度對摩擦系數的影響。

3.1 微動頻率對摩擦系數的影響

綜合表3摩擦系數測試結果對比表明：微動頻率對摩擦系數影響較小，沒有固定的規律；當微動頻率為50 Hz時，摩擦系數最小。各微動頻率下，摩擦系數平均值由大到小順序為：

表3 摩擦系數對比(微動頻率)

WHSC>DLC>TiN>CrN

3.2 微動行程對摩擦系數的影響

綜合表4摩擦系數測試結果對比表明：微動行程對摩擦系數影響較小，沒有固定的規律；各微動行程下，摩擦系數平均值由大到小順序為：

表4 摩擦系數對比(微動行程)

WHSC>DLC>TiN>CrN

3.3 溫度對摩擦系數的影響

綜合表5摩擦系數測試結果對比表明：溫度對摩擦系數影響較小，總體而言，DLC、TiN、WHSC的摩擦系數均隨溫度升高而略有降低；各溫度下，摩擦系數平均值由大到小順序為：

表5 摩擦系數對比(溫度)

WHSC>DLC>TiN>CrN

3.4 潤滑對摩擦系數的影響

綜合表6摩擦系數測試結果對比表明：潤滑對摩擦系數影響很大，無潤滑條件下的摩擦系數遠大于油潤滑條件的摩擦系數，TiN、CrN和WHSC對于潤滑條件最為敏感，DLC相對不敏感。在無潤滑狀態(25 ℃)下，摩擦系數平均值由大到小的順序為：

表6 摩擦系數對比(潤滑)

TiN>>CrN>WHSC>>DLC

4 結 論

對4種鈦合金表面改性/鍍層的摩擦性能進行了測試研究分析，并得出影響規律，對于工程實踐中鈦合金航空花鍵副表面改性/鍍層的選擇和應用具有一定的指導意義。

(1) 各類鍍層摩擦系數隨載荷增大而總體下降。

(2) 微動頻率、微動行程、工作溫度對摩擦系數影響較小，這三類因素不改變鍍層之間的摩擦系數性能。

(3) 潤滑對摩擦系數影響較大，無潤滑條件下的摩擦系數遠大于油潤滑條件的摩擦系數，TiN鍍層最為敏感，DLC和WHSC較為敏感，CrN略微敏感。在無潤滑狀態(25 ℃)下，摩擦系數平均值由大到小的順序為：TiN>>WHSC>CrN>>DLC。

(4) 從摩擦系數的角度，在各種載荷、微動頻率與行程、溫度等條件下，摩擦系數平均值由大到小順序均為：WHSC>DLC>TiN>CrN。