北科大、北理工等單位頂刊 | 揭示電弧增材制造TA15合金往復滑動磨損機制的溫度效應(yīng)

來源：WAAM電弧增材

TA15合金（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）是一種典型的航空航天結(jié)構(gòu)材料，作為近α鈦合金，在飛機發(fā)動機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件和軸承部件制造中有廣泛應(yīng)用。隨著對鈦合金部件需求趨向大型化、輕量化和復雜化，傳統(tǒng)制造方法受限，而電弧增材制造（WAAM）技術(shù)能滿足高性能、大型復雜部件的高效低成本生產(chǎn)需求。然而，TA15合金在實際應(yīng)用中會遭受高溫和機械振動的磨損損傷，對材料的性能和壽命構(gòu)成挑戰(zhàn)。

近日，北京科技大學、北京理工大學同核與輻射安全中心在工程技術(shù)領(lǐng)域頂刊Wear上發(fā)表了題為“Unveiling the temperature effect on reciprocating sliding wear mechanism of a TA15 alloy fabricated by wire-arc additive manufacturing”的研究成果。該研究研究了由電弧增材制造技術(shù)生產(chǎn)的TA15合金在高溫下受往復滑動磨損的機制，包括溫度對摩擦系數(shù)（COF）、磨損損失、氧化和微觀結(jié)構(gòu)演變的影響。最后，根據(jù)實驗結(jié)果建立了不同溫度下的磨損壽命預測模型。

圖1. (a) TA15合金WAAM加工的草圖。(b) 之字形沉積路徑

圖2. 多功能摩擦磨損試驗機的組裝和模型

圖3. (a) 由WAAM制造的TA15合金部件。(b) 硬度測試的壓痕的OM圖像及不同表面的硬度平均值。在 (c) OM和(d) SEM成像下，WAAM制造的TA15合金的三維微觀結(jié)構(gòu)

圖4. (a) 不同溫度下COF隨時間的變化。(b) 不同溫度下的平均COF。(c) 隨著溫度升高磨損量的變化。誤差條是通過三次重復實驗的標準差計算得出的

圖5. TA15合金在不同溫度下的磨損痕的三維形態(tài)。(a) 25°C，(b) 200°C，(c) 400°C，(d) 600°C，(e) 800°C，(f) 1000°C。(g) 在(a-f)中所示位置的截面輪廓。(h) 隨著溫度升高最大磨損深度的變化。滑動方向如(a)所示

圖6. TA15合金在不同溫度下的磨損表面的SEM圖像以及相應(yīng)的鈦、氧、鋁、鉬元素的EDS映射。(a) 25°C，(b) 200°C，(c) 400°C，(d) 600°C，(e) 800°C，(f) 1000°C�；瑒臃较蛟�(a)中指示

圖7. 圖6中矩形區(qū)域的放大SEM圖像。(a) 25°C，(b) 200°C，(c) 400°C，(d) 600°C，(e) 800°C，(f) 1000°C

圖8. TA15合金表面在不同溫度下磨損測試前后的XRD圖案。(a) 磨損測試前的XRD圖案，(b) 磨損測試后的XRD圖案。(c) 磨損前后XRD圖案的比較（同一溫度下的上層曲線代表磨損后的XRD圖案）。(d) 不同溫度下磨損表面的拉曼光譜

圖9. 未知數(shù)Ea和A的調(diào)整。(a) 磨損量隨溫度升高的變化（提取自圖4），(b) A與溫度的關(guān)系曲線

圖10. 滑動周期的圖解分解

圖11. 基于Eq，不同溫度下實驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果的比較

圖12. TA15合金在不同溫度下磨損痕次表面的典型微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖

關(guān)鍵結(jié)論

（1）摩擦系數(shù)（COF）和磨損損耗的變化受溫度的影響很大。隨著溫度的升高，由于穩(wěn)定氧化層的形成速度加快，COF 很快進入穩(wěn)定期；平均 COF 先減小后增大。同時，磨損量在800°C以下先增加然后減少，但在1000°C時達到最大值。這是由于氧化磨損碎片的形成和清除與真正高溫下的相變之間存在競爭。

（2）Ft-D曲線隨時間的變化受溫度極大影響。在低溫時，F(xiàn)t-D曲線隨時間從準平行四邊形變?yōu)榉忾]線。在中溫下，F(xiàn)t-D曲線隨時間保持為準紡錘形。在高溫下，F(xiàn)t-D曲線隨時間保持為準平行四邊形。隨著溫度的升高，F(xiàn)t-D曲線趨于近似平行四邊形，由于氧化層的潤滑作用，接觸面更傾向于相對滑動。然而，當溫度升高到1000°C時，由于氧化層過度剝離，相對滑動減弱。

（3）氧化層中裂紋形態(tài)受溫度的影響很大。隨著溫度的升高，裂紋形態(tài)從隨機分布的孔隙變?yōu)榕c滑動方向平行的剝離裂紋，這是由于熱應(yīng)力的增加和氧化層的脆性所致。

（4）磨損壽命模型受溫度影響很大。經(jīng)典的氧化磨損模型適用于低溫。然而，在中高溫下由于氧化速率增加和氧化層形成與分層的動態(tài)變化，它不再適用。通過引入耗散能量和分層系數(shù)來修正中高溫下的磨損壽命模型，以準確預測磨損體積。

通訊作者
郭躍嶺，博士畢業(yè)于北京航空航天大學（德國馬克斯普朗克研究所聯(lián)合培養(yǎng)）。現(xiàn)任北京理工大學機械與車輛學院長聘副教授（特別研究員）、博士生導師、制造工程系副主任，從事金屬熔絲增材制造技術(shù)與智能裝備研究。曾獲杭州青山湖材料基因工程青年科學家獎、北京航空航天大學優(yōu)秀博士學位論文等獎勵，主持國家自然科學基金、國防基礎(chǔ)科研項目以及重點項目課題、軍科委JCJQ子課題等科研項目，以第一/通訊作者在Virtual and Physical Prototyping等國內(nèi)外學術(shù)期刊發(fā)表學術(shù)論文40余篇，受邀在材料基因工程高層論壇、第六屆全國增材制造青年科學家論壇等會議擔任分會場主席/邀請報告十余次，擔任中國機械工程學會增材制造技術(shù)分會青年委員以及CJME: Additive Manufacturing Frontiers等期刊青年編委。

辛龍，北京科技大學國家材料服役安全科學中心副研究員。研究方向為工程結(jié)構(gòu)材料的高溫蠕變，材料的表面納米化及表征，材料的腐蝕及流動加速腐蝕，工程結(jié)構(gòu)材料的摩擦磨損及表面工程。

白歡歡，生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心核與輻射安全審評工作人員。

論文引用
Baoli Guo, Yueling Guo, Donghua Tian, Yongming Han, Xiaofeng Zhang, Huanhuan Bai, Long Xin.  Unveiling the temperature effect on reciprocating sliding wear mechanism of a TA15 alloy fabricated by wire-arc additive manufacturing:Wear562–563(2025) 205655

DOI:https://doi.org/10.1016/j.wear.2024.205655