响应面法研究钛(5级)合金的干滑动磨损特性

摘要

研究了钛(5级)合金的干滑动磨损行为，以揭示在不同的正常载荷、滑动速度和滑动距离条件下，其耐磨性差的机理。设计了实验技术，即响应面方法(RSM)来完成实验研究的目标。采用面心中心复合设计(CCD)进行三层三因素的实验方案。结果表明，随外加载荷和滑动速度的增加，比磨损率增大。但随着滑动距离的增大和滑动速度的减小，滑差值减小。利用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和x射线衍射(XRD)技术对钛合金试样的磨损表面进行了分析。预测结果与实验结果吻合较好，可以较好地预测磨损性能。

1.介绍

钛及其合金具有机械，物理和耐腐蚀性的独特组合，这使得它们在航空航天工业和化学和能源产业中的关键应用。与基于铝，镁和钛合金的轻重合金相比，目前有趣的可能性是摩擦，但它们尚未被广泛调查为轴承材料[1]。航空航天部件中钛合金的摩擦学关注主要集中在其微动行为上，导致了对离子注入和固体膜润滑等表面处理的研究[2,3.]。

然而，即使在滑动较柔软的材料时，钛和钛合金通常也表现出差的微动，耐磨性和摩擦学特性。钛合金差的摩擦性质背后的主要原因之一是这些合金的导热率低[4]。这是由于极薄的、低剪切强度的氧化膜被破坏，主要由二氧化钛(TiO)组成₂)，会导致金属表面的脱氢及随后的加速磨损，原因是氧化物颗粒的移位，引致三体磨料磨损[5- - - - - -10.]。

由于钛合金耐磨性差，其在滑动应用中的应用受到限制[11.]。这是由于钛合金对塑料剪切的低电阻以及通过在干燥滑动期间的高闪光温度（通过摩擦加热引起的）而形成的表面氧化物的低保护性[12.]。钛合金的差的摩擦学行为的特点是高系数的摩擦系数，严重的粘合剂磨损具有强烈的抗置倾向，耐磨损性和低耐磨性[13.]。因此，不同研究者提出了改善钛合金摩擦学性能的不同方法。这些包括表面处理、离子注入、涂层和氧扩散[14.- - - - - -17.]。

在滑动过程中，所产生的热量散失缓慢，导致界面温度升高，从而导致滑动钛的摩擦学性能下降。因此滑动面温度需要控制[4]。对钛合金的干滑动磨损机理进行了一些研究。Molinari等[18.在Ti-6Al-4V自配合式磁盘对磁盘滑动测试中，强调了负责不同负载和滑动速度条件下的耐磨性的机制。他们发现，随着滑动速度的增加，氧化磨损向分层磨损的过渡出现了相应的最小磨损率。

Basu等人[19.研究发现，当高纯钛在液氮中与钢摩擦时，摩擦和磨损降低。一般来说，在干燥和低温条件下，钛合金的磨损量都随着滑动速度、加载载荷或滑动距离的增加而增加，在变量的较高水平下，这种增加更为明显。众所周知，界面温度随速度、负载和滑动距离的增加而增加。还有Pinto等人[20.[]报道，在极低温(4-20 K)下，不锈钢和钢中的奥氏体转变为马氏体，使不锈钢和钢变硬，从而具有较高的耐磨性。众所周知，金属的滑动在滑动界面产生很大的塑性剪切应变，在近表面材料中产生很大的应变梯度。在高应变率下，金属和合金经常出现高度局域化变形的狭窄区域，称为绝热剪切带[21,22]。

从上述文献综述中，我们发现没有关于钛(5级)合金滑动对淬硬钢盘的具体磨损率的信息。这意味着已经发表的作品都不能直接与当前的作品相媲美。因此，本文旨在建立钛合金摩擦学应用的基线数据。在本报告中，工作的三个参数，如应用正常负荷，滑动速度，滑动距离被认为是独立的变量。在初步试验的基础上，通过三因素三水平的计划试验，测试了这些参数对滑动磨损的影响。应用面心中心复合设计的响应面方法(RSM)建立了钛合金(5级)在环境温度条件下的二次摩擦行为模型。

2.实验工作

2.1。所用材料和实验装置

在这项工作中，钛(5级)合金测试在环境条件下干滑动条件。钛(5级)合金由NISARG国际公司(印度孟买)提供。所用的工件材料的长度为25毫米，直径为15毫米。所用工件的化学成分列于表中1。所用钛棒的硬度为35 HRC。钛(5级)合金的力学性能为极限抗拉强度为950 MPa，拉伸百分率为14%，剪切强度为550 MPa。这种材料适用于航空航天、医疗和汽车领域的广泛应用。钛(5级)合金试验的干滑动磨损性能评估是在一个针对碟型摩擦和磨损监测试验环(DUCOM)上进行的，按照ASTM: G99，如图所示1。计数器主体是由硬化磨砂钢(EN-32，硬度72 HRC，表面粗糙度)制成的圆盘)。标本被保持静止，圆盘旋转，同时通过杠杆机构施加法向力。在测试过程中，通过安装在加载臂上的传感器来测量摩擦力。摩擦力读数被取为所需时间段内每40秒100个读数的平均值。为此，采用了微处理器控制的数据采集系统。采用减重法确定具体磨损。在这些实验中，测量了样品的初始和最终重量。

样品表面的材料损失是用高精度的电子天平测量的。具体磨损率()可以计算 在哪里具体磨损率(mm^3./ Nm),是测试持续时间（g）的质量损失，复合材料的密度(g/cm)是多少^3.),滑动距离是多少为所施加的正常负荷(N)。所有试验均在温度和湿度分别为26 ~ 30℃和62 RH的环境空气条件下进行。本工作中提供的数据是在相同测试条件下至少三个读数的平均值。磨损试验结果具有较好的重复性。

2.2。响应面法(RSM)

响应面方法(RSM)是一个数学和统计技术的集合，对发展、改进和优化过程非常有用[23]。该方法已被其他研究人员用于刀具寿命、表面粗糙度、耐磨性等的预测[24]。它通常适用于感兴趣的响应受若干变量的影响，目标是优化这种响应。设计专家软件版本8.0.4.1用于开发RSM的实验计划。提出了一种二次模型的二阶类型，以表示特定磨损率和独立变量之间的关系。模型的性能取决于可以以复杂的方式行动和交互的大量变量。在本作的工作中，施加的正常负载，速度和滑动距离被认为是独立变量，响应（输出）变量是特定的磨损率（)。在RSM中，期望响应与独立输入变量之间关系的定量形式可表示为: 在哪里期望的反应是什么为响应函数(或响应面)。二次模型可以表示为 在哪里是不变的,分别为线性系数和二次系数。而“为回归系数，为实验中调查和优化的因素数。和“是随机错误。展开二次方程时，检验因子按下式编码: 在哪里,，和是独立变量的无量纲值，实际值和实际值（中心点）和是阶跃变化值。利用的二次模型在本研究中，不仅要调查整个因素空间，而且要定位期望目标所在的区域，即响应接近其最优值或接近最优值的区域。利用面心中心复合设计的响应面方法，对二次模型进行了加工实验，收集了必要的数据。中心复合设计是一级设计()附加中心和轴向点的设计，允许估计二阶模型的调优参数。CCD的阶乘部分是两个水平(低- 1和高+1)因素的所有组合的完整阶乘设计，由8个星点和6个中心点组成，它们是高和低水平之间的中点。星点在设计上的立方体部分的正面，对应于值为1，这种类型的设计通常被称为面居中。表中给出了三电平的三个加工参数及其量程2。

3。结果与讨论

根据实验计划执行的加工运行的实际值(设计矩阵)和响应(具体磨损率)如表所示3.。提出了建立比磨损率二次模型的实验方案。这些结果被输入Design Expert软件进行进一步分析。采用方差分析(ANOVA)对所进行的各种检验进行总结，即回归模型的显著性检验、单个模型系数的显著性检验和不拟合性检验。

3.1。ANOVA分析

在ANOVA分析中，需要进行回归模型的显著性检验、各模型系数的显著性检验和拟合不足检验。在方差分析表中，不显著的模型项可以通过选择后向消除程序删除。表格4为特定磨损率的二次简化模型的方差分析表。“问题”的价值。”在表4< 0.05，说明模型显著，这是可取的，说明模型中的各项对响应有显著影响。确定系数在表4是对契合度的一种衡量。当方法统一，最佳响应模型符合实际数据。表示预测值和实际值之间的差越小。该模型值331.67表示模型显著。只有0。01%的概率值这么大可能是由于噪声造成的。“概率的值。小于0.0500表示模型项显著。在这种情况下,,,,,,是重要的模型术语。大于0.1000的值表示模型项不显著。如果有许多无关紧要的模型术语(不包括那些支持层次结构所需的术语)，那么模型简化可以改进模型。的lack-of-fit值为3.91，则有8.05%的机会出现不匹配值这么大可能是由于噪声造成的。“预测- 0.9653的平方与调整值基本一致- 0.9937的样品。“ADEQ精确”测量信噪比。比例大于4是理想的。在这项工作中，ADEQ精密比为55.817表示足够的信号。该模型可用于导航设计空间。

根据编码因素和实际因素，具体磨损率的最终二次模型为:

3.2。独立参数对比磨损率的影响

从方差分析表的结果4，执行模型充足性检查，以验证是否违反了回归分析的特定磨损率的二次模型。特定磨损率的残余概率图如图所示2没有任何违反独立性或一贯假设的迹象。由于图中的每个点都遵循直线模式，这意味着误差是正态分布的。所得到的模型可以在所研究因素的限制范围内预测具体的磨损率。然而，一般来说，磨损特性强烈依赖于负载、滑动速度、滑动时间(距离)、温度、接触几何形状、表面粗糙度、环境空气和材料表面成分。

为了研究独立参数对比磨损率的影响，绘制了三维响应面图并以图形表示3.,4，和5,分别。数据3.和4分别为特定磨损率随外加载荷×速度和滑动距离×速度变化的三维响应面。也算5分别为特定磨损率随加载的正态载荷与滑动距离变化的三维响应面。数字的结果3.和4结果表明:比磨损率随外加载荷和滑动速度的增加而增大，随滑动距离的增加而减小，随滑动速度的减小而减小。这一现象的形成可能是由于薄氧化层在高滑动距离的反应之间的钢和钛合金在周围空气,除了薄氧化层也可以作为固体润滑从而减少摩擦和特定的磨损率。也从图的结果5结果表明，随外加正常载荷的增加，比磨损率增加。而比磨损率随滑动距离的增加而减小。这可能是由于随着滑动距离的增加，温度上升到一个临界值，在这个临界值时，由于钛合金试样的导热系数较低，其表面被氧化。钛合金氧化后的表面要么出现破碎，要么在一定程度上趋于稳定。所形成的破碎氧化层或颗粒有时起到润滑剂的作用，从而降低了比磨损率。因此，比磨损率分别随滑动距离的增加而减小。

3.3。分析磨损碎片和蜗杆表面

利用x射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDS)技术对磨屑和蜗杆表面进行了分析。XRD光谱由PANalytial - X 'Pert PRO(荷兰)进行，工作在45 kV和40 mA电流范围内,也就是说,来。利用fequanta FEG450机进行了SEM和EDS分析。标本被安装在镀金的存根上。为了提高样品的电导率，在拍摄显微照片之前，先在样品上真空蒸发铂薄膜。

数字6分别为(a) 50 N和(b) 90 N，滑动速度为600 rpm时试验产生的磨损碎片的XRD谱。研究发现，在低负荷下产生的岩屑中含有tio2和tio2α-钛合金和少量铁-α合金。然而，在50 n的施加的正常载荷下在磨损的表面上形成了大量的染色氧化物如图所示6（a）因为对应于氧化物的峰超过了α-ti合金。这意味着在低施加的正常载荷条件下在滑动试验期间发生氧化磨损，而在高施加的正常载荷条件下滑动期间，染色氧化物的量减少。在施加的正常负载90 n，唯一的α-Ti为主导相，未发现三booxide，如图所示6（b）。

磨损碎片的形态分析证实了上述结果。数据7(一)和7 (b)目前的钛(5级)合金干滑条件下的SEM显微照片，滑动速度为600 rpm和应用正常负载(a) 50 N和(b) 90 N，分别。数字7(一)对比图显示了光滑的磨损表面7 (b)。同样在低载荷作用下，磨损轨迹显示出微碎裂的过程，而在高载荷作用下，大颗粒脆性脱离表面的现象也很明显。同样，在较低的正常载荷下，钛合金呈现出典型的粘着痕迹和磨蚀沟，而随着正常载荷的增加，磨损表面变得相对粗糙，出现许多撕裂区域和磨蚀沟。也算7(一)显示了一些碎片和分层发生在低应用正常负荷条件下滑动，而从图7 (b)结果表明，在高载荷作用下，滑动过程中出现了深沟、裂纹和分层现象。一般的磨损模式似乎是犁出的材料从蜗杆表面。蜗杆表面的凹槽较粗，凹槽边缘塑性变形较大，造成磨损率高。此外，从上述研究中还发现，钛合金对淬硬钢滑动的磨损行为是由循环计数、滑动速度、接触应力和合金组织等因素决定的。

数据8(一个)和8 (b)给出了干滑动条件下，滑动速度为600 rpm，正常载荷为50 N和90 N时的钛(5级)合金EDS谱。根据EDS分析如图所示8(一个)，所检测到的金属是Ti, O, Al, Fe和c8 (b)显示了分别被检测出的钛、C、铝和铁等金属的存在。在50 N的正常载荷和600 rpm的滑动速度下，磨损表面出现了高含量的氧和碳，但这种情况下只形成了微量的氧化物。因此，它们不能被EDS分析识别。研究发现，在90n的载荷和600rpm的滑动速度下，磨损表面的氧含量消失，几乎没有发现三氧化物。由于没有三氧化二氮层，在90n的应用正常值下观察到黏着磨损和磨料磨损[25]。由此可见，三溴化物的形成依赖于一定的环境温度和施加的正常负荷条件。此外，重量，原子和误差测量百分比贡献的检测金属元素显示在数字8(一个)和8 (b),分别。

4.确认测试

针对特定磨损率进行了三个确认实验，以验证得到的二次模型(5)和(6)。表中给出了构造运行的结果及其与特定磨损率预测值的比较5。表的结果5表明，剩余和百分比错误都很小。特定磨损率的实际和预测值之间的百分比误差分别位于-0.88和0.71之间。确认测试的所有实验值都在95％的预测间隔内。因此，显然证明了所获得的方程（5)和(6)是非常精确的钛合金(5级)的二次模型的选择水平的输入变量。

5。结论

在本文中，已经开发出特定磨损率的减少的二次模型，以研究抗钢盘在干燥滑动条件下钛（5）合金的摩擦学行为通过使用响应面方法。已经评估了磨损变量，例如滑动速度，施加的正常负载和滑动距离的影响。以下基于实验调查绘制了以下结论。

(我)比磨损率随正常载荷和速度的增加而增加，随滑动距离和速度的增加而减小。（ii）预测值与实测值吻合较好，表明所建立的二次模型可以有效地预测钛合金的比磨损率，精确度为95%。(3)通过XRD谱分析发现，在低载荷作用下，钛合金的磨损表面形成了大量的三氧化物，而随着载荷的增加，三氧化物的含量降低。(iv)从扫描电镜图像中可以看出，在低载荷作用下，磨损轨迹显示出微碎裂的过程，而在高载荷作用下，可以明显看到大颗粒的脆性脱离。

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