王涛等：MA-SPS制备超细晶Ti-8Mo-3Fe合金的摩擦磨损性能 ·429 500 图5为4种钛合金材料在相同摩擦磨损实验条件 下的磨损体积.从图中可以看出，铸态纯的磨损程 400 度最大，磨损体积达到0.45mm3,这主要是由于其表面 硬度较低，表现出较差的抗摩擦性能。微米晶粒T一 300 8Mo-3Fe合金与铸态TC4合金的磨损体积相近，分别 为0.35mm'和0.33mm'.超细晶Ti-8Mo-3Fe合金的 200 磨损程度最小，磨损体积为0.29mm3,相较于微晶Ti- 8Mo-3Fe降低了17%. 100 0.5 TC4 微品 超细品 0.4 Ti-8Mo-3Fe Ti-8Mo-3Fe 试样 0.3 图34种钛及合金样品的显微硬度 Fig.3 Micro-hardness of Ti and alloy samples 02 0.9 微晶Ti-8Mo-3Fe T 0.8 超细品Ti-8Mo-3Fe TC4 0.7 微品 TC4 超细品 0.6 Ti-8Mo-3Fe Ti-8Mo-3Fe 试样 05 图54种钛及合金样品磨损体积 Fig.5 Wear volumes of Ti and alloy samples 0.3 2.4摩擦磨损机理 0.2 图6和图7分别为4种钛合金材料的摩擦磨损表 0 300 600 900 12001500 1800 面及磨屑形貌图.如图6所示，4种合金的磨面均呈现 时间 一定程度的塑性变形以及由于对磨材料挤压和刮擦所 图44种钛及合金样品的摩擦系数曲线 产生的沿着摩擦方向的犁沟和黏着痕迹 Fig.4 Friction coefficient curves of Ti and alloy samples 从图6(a)、(b)可以看出，铸造的纯Ti及TC4合 关系.由图可知，铸态纯Ti和TC4合金的摩擦系数随 金磨面上存在着较宽的磨痕和连续的犁沟，这是由对 时间变化的规律相似，即在磨损初期摩擦系数相对稳 磨材料的切削作用产生的，表明材料表面发生了磨粒 定，当研磨时间增加到450s后，摩擦系数曲线波动逐 磨损的情况.从图7()、(b)可知，磨损实验中产生了 渐增大，其中纯Ti的摩擦系数为0.55±0.05，TC4合 大量的片状磨屑，这主要是由于两种铸造金属的显微 金的摩擦系数较小，但波动较大，其值为0.4±0.08. 硬度较低，在氮化硅陶瓷球的正压力和沿摩擦方向的 而对于粉末治金方法制备的两种Ti-8Mo-3Fe合金而 剪切力作用下会发生明显的塑性变形，当表面金属变 言，在摩擦初期均出现了一定的“磨合”过程，即摩擦 形超过其断裂强度极限时，就会出现较大尺寸的塑性 系数在前期变化较大，然后随摩擦时间增加而趋于平 变形层剥落而形成片状磨屑，这是黏着磨损的典型特 征.因此，实验中铸造纯Ti及TC4合金均发生了磨粒 缓.其中，微米晶粒Ti-8Mo-3Fe的摩擦系数与其他3 磨损和黏着磨损并存的混合磨损过程.与TC4合金相 种材料相比较大，其值为0.62±0.04.对于超细晶Ti- 比，纯T的表面较粗糙，塑性变形区较多，说明黏着磨 8Mo-3Fe合金，在磨损初期摩擦系数不断减小，600s 损占主导地位 后趋于稳定，其稳定摩擦系数约为0.47±0.02，相较 由图6(c)、(d)可知，微米晶粒Ti8Mo-3Fe合金 于微米晶粒Ti8Mo-3Fe降低了24%.超细晶材料摩 的磨面上可观察到连续的犁沟和塑性变形区，磨痕周 擦系数的降低主要是由于材料表面的高强度使其具有 围也黏附着较多的磨屑，而超细晶Ti-8Mo-3Fe合金 更高的抗塑性变形能力，从而减少了磨件氮化硅球对 的磨面较为平整，分布着较细的犁沟，且磨痕上黏附的 合金表面的犁削作用，使其摩擦系数降低. 碎屑较细.从图7(c)、(d)可以看出，微米晶粒Ti-王 涛等: MA--SPS 制备超细晶 Ti--8Mo--3Fe 合金的摩擦磨损性能 图 3 4 种钛及合金样品的显微硬度 Fig． 3 Micro-hardness of Ti and alloy samples 图 4 4 种钛及合金样品的摩擦系数曲线 Fig． 4 Friction coefficient curves of Ti and alloy samples 关系． 由图可知，铸态纯 Ti 和 TC4 合金的摩擦系数随 时间变化的规律相似，即在磨损初期摩擦系数相对稳 定，当研磨时间增加到 450 s 后，摩擦系数曲线波动逐 渐增大，其中纯 Ti 的摩擦系数为 0. 55 ± 0. 05，TC4 合 金的摩擦系数较小，但波动较大，其值为 0. 4 ± 0. 08． 而对于粉末冶金方法制备的两种 Ti--8Mo--3Fe 合金而 言，在摩擦初期均出现了一定的“磨合”过程，即摩擦 系数在前期变化较大，然后随摩擦时间增加而趋于平 缓． 其中，微米晶粒 Ti--8Mo--3Fe 的摩擦系数与其他 3 种材料相比较大，其值为 0. 62 ± 0. 04． 对于超细晶 Ti-- 8Mo--3Fe 合金，在磨损初期摩擦系数不断减小，600 s 后趋于稳定，其稳定摩擦系数约为 0. 47 ± 0. 02，相较 于微米晶粒 Ti--8Mo--3Fe 降低了 24% ． 超细晶材料摩 擦系数的降低主要是由于材料表面的高强度使其具有 更高的抗塑性变形能力，从而减少了磨件氮化硅球对 合金表面的犁削作用，使其摩擦系数降低． 图 5 为 4 种钛合金材料在相同摩擦磨损实验条件 下的磨损体积． 从图中可以看出，铸态纯 Ti 的磨损程 度最大，磨损体积达到0. 45 mm3 ，这主要是由于其表面 硬度较低，表现出较差的抗摩擦性能． 微米晶粒 Ti-- 8Mo--3Fe 合金与铸态 TC4 合金的磨损体积相近，分别 为 0. 35 mm3 和 0. 33 mm3 ． 超细晶 Ti--8Mo--3Fe 合金的 磨损程度最小，磨损体积为 0. 29 mm3 ，相较于微晶 Ti-- 8Mo--3Fe 降低了 17% ． 图 5 4 种钛及合金样品磨损体积 Fig． 5 Wear volumes of Ti and alloy samples 2. 4 摩擦磨损机理 图 6 和图 7 分别为 4 种钛合金材料的摩擦磨损表 面及磨屑形貌图． 如图 6 所示，4 种合金的磨面均呈现 一定程度的塑性变形以及由于对磨材料挤压和刮擦所 产生的沿着摩擦方向的犁沟和黏着痕迹． 从图 6( a) 、( b) 可以看出，铸造的纯 Ti 及 TC4 合 金磨面上存在着较宽的磨痕和连续的犁沟，这是由对 磨材料的切削作用产生的，表明材料表面发生了磨粒 磨损的情况． 从图 7( a) 、( b) 可知，磨损实验中产生了 大量的片状磨屑，这主要是由于两种铸造金属的显微 硬度较低，在氮化硅陶瓷球的正压力和沿摩擦方向的 剪切力作用下会发生明显的塑性变形，当表面金属变 形超过其断裂强度极限时，就会出现较大尺寸的塑性 变形层剥落而形成片状磨屑，这是黏着磨损的典型特 征． 因此，实验中铸造纯 Ti 及 TC4 合金均发生了磨粒 磨损和黏着磨损并存的混合磨损过程． 与 TC4 合金相 比，纯 Ti 的表面较粗糙，塑性变形区较多，说明黏着磨 损占主导地位． 由图 6( c) 、( d) 可知，微米晶粒 Ti--8Mo--3Fe 合金 的磨面上可观察到连续的犁沟和塑性变形区，磨痕周 围也黏附着较多的磨屑，而超细晶 Ti--8Mo--3Fe 合金 的磨面较为平整，分布着较细的犁沟，且磨痕上黏附的 碎屑较细． 从图 7 ( c) 、( d) 可 以 看 出，微 米 晶 粒 Ti-- · 924 ·