徐志彪, 李德香, 王 忠, 魯志杰, 張 俊, 劉衛(wèi)東, 彭金方

(1.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院, 廣東 江門 529020;2.中國航發(fā)航空科技股份有限公司, 四川 成都 610503;3.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室, 四川 成都 610031)

航空發(fā)動機作為航空飛行器的核心部件之一，其服役可靠性對航空飛行器的安全運行非常重要[1-2].航空發(fā)動機上的任何損傷都可能對飛行安全帶來嚴(yán)重影響，甚至造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡.特別是，作為航空發(fā)動機動力能源裝置的關(guān)鍵部件，鎳基高溫葉片在長期服役過程中極易發(fā)生微動損傷現(xiàn)象[3-4]，導(dǎo)致葉片的斷裂失效[5]，極大地降低飛行構(gòu)件的服役安全性，給航空飛行器帶來嚴(yán)重的安全隱患.因此，探究鎳基合金材料的微動損傷機理，對保障航空安全運行十分重要[6-7].

目前，Li等[8-9]探究了位移幅值和循環(huán)次數(shù)的變化對Inconel 600合金微動磨損行為及機理的影響.結(jié)果表明，隨著位移幅值和循環(huán)次數(shù)的增大，微動運行模式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，由黏著轉(zhuǎn)變成滑移，磨損逐漸增大，主要的磨損機制為黏著磨損和氧化磨損.Jeong等[10]在空氣和高溫水環(huán)境下對Inconel 690TT合金進(jìn)行了微動磨損研究.結(jié)果表明，在空氣中獲得的摩擦系數(shù)較小，損傷較小，主要的磨損機制為疲勞磨損.在高溫水環(huán)境中獲得的摩擦系數(shù)較大，而且隨著水溫的升高，摩擦系數(shù)、磨損率和磨損體積都出現(xiàn)了一定程度上的增大，磨損機制的轉(zhuǎn)變受微坑影響.Zhang等[11]探究了溫度對Incoloy 800合金微動磨損性能的影響，結(jié)果表明，隨著溫度的升高，微動運行出現(xiàn)部分滑移區(qū)、混合區(qū)和滑移區(qū)三種模式.微動運行于部分滑移區(qū)時，出現(xiàn)微裂紋，主要的磨損機制為輕微磨粒磨損和微裂紋的萌生.而當(dāng)表面微動狀態(tài)為混合區(qū)和滑移區(qū)時，主要的磨損機制為疲勞磨損、氧化磨損和磨粒磨損.Attia等[12]研究了溫度對Inconel 718合金微動磨損的影響，結(jié)果表明，隨著溫度的升高，摩擦系數(shù)逐漸降低.

隨著增材制造技術(shù)飛速崛起，實現(xiàn)了機器零件從微觀到宏觀的構(gòu)建[13].因此，增材制造技術(shù)在發(fā)動機渦輪盤、葉片和燃燒室等復(fù)雜部件制造和修復(fù)方面被廣泛應(yīng)用，使得航空航天制造業(yè)出現(xiàn)革命性的轉(zhuǎn)變[14-15].特別地，作為航空航天工業(yè)最佳的修復(fù)工藝—激光熔覆沉積技術(shù)，已經(jīng)被應(yīng)用于航空發(fā)動機各磨損部件的修復(fù)[16].然而，現(xiàn)有研究中關(guān)于傳統(tǒng)工藝制備的鎳基合金的微動損傷研究相對較多，對激光熔覆沉積技術(shù)制備的鎳基合金微動磨損的研究非常有限.因此，探究激光熔覆沉積制備的鎳基合金的微動磨損特性，對修復(fù)后航空發(fā)動機零部件的服役安全性具有非常重要的現(xiàn)實意義.

1 試驗部分

1.1 試樣材料和試樣

采用激光熔覆沉積技術(shù)在鍛造成形的Inconel 718合金基材上制備了Inconel 718合金試樣，如圖1(a)所示，然后用線切割截取尺寸為20 mm×10 mm×5 mm的塊狀試樣[17].試驗開始前，所有試樣均依次經(jīng)過400＃、800＃、1000＃、1 200＃、1 500＃和2 000＃砂紙打磨，然后進(jìn)行表面拋光處理，試樣表面粗糙度達(dá)到Ra=0.01 mm，最后把拋光后的試樣放進(jìn)無水乙醇中，采用超聲清洗去除黏附在試樣表面的雜質(zhì).圖1(a)所示為激光熔覆沉積制備的Inconel 718合金試樣，圖1(b)所示為試驗材料的金相組織，可以看出，激光熔覆沉積制備的Inconel 718合金金相組織主要由枝晶間共晶和沿晶界的非晶相組成(黃色虛線為熔池邊界).另外，微觀組織呈枝晶分布，其組織為胞狀晶組織，其內(nèi)部為亞微類級晶粒，枝晶間存在不同角度分布(紅色箭頭所示)[18-19].由圖1(c)所示的試樣的XRD (X射線衍射)圖譜可知，Inconel 718合金試樣主要的析出相為γ相和Laves相，其相應(yīng)的衍射峰分別出現(xiàn)在(111)、(200)和(220)晶面，以及(201)和(202)晶面，不存在其他析出相的衍射峰.激光熔覆沉積所用Inconel 718合金粉末的主要化學(xué)成分列于表1中.采用數(shù)字式顯微硬度計(上海泰明光學(xué)儀器有限公司HXD-1000TM)測試成形后Inconel 718合金的顯微硬度，隨機測量了6個位置的硬度值，得到其平均硬度值為472.6 HV，圖1(d)所示為Inconel 718合金試樣的硬度值.

Fig.1 (a) Photograph of laser cladding deposition Inconel 718 alloy specimens; (b) SEM micrograph of Inconel 718 alloy specimen metallographic organization; (c) XRD patterns of specimens of Inconel 718 alloy;(d) hardness values of Inconel 718 alloy specimens圖1 (a)激光熔覆沉積Inconel 718合金試樣的照片；(b) Inconel 718合金試樣金相組織的SEM照片；(c) Inconel 718合金試樣的XRD圖譜；(d) Inconel 718合金試樣的硬度值

1.2 微動磨損試驗與分析方法

試驗所用設(shè)備為自主研制的多功能復(fù)合微動摩擦磨損試驗機，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示.在微動磨損試驗中，選取直徑為10 mm的GCr15鋼球作為摩擦對偶，經(jīng)過淬火處理后，其硬度值范圍為800~840 HV.激光熔覆沉積制備的Inconel 718合金塊作為下試樣，隨著驅(qū)動裝置做往復(fù)運動.同時，切向微動磨損試驗中的摩擦力被高精度力傳感器精確地記錄下來.整個試驗的具體參數(shù)如下：Fn=10、25和50 N (法向施加的恒定載荷)；D=100和200 μm (切向微動位移)；t=20~25 ℃(試驗環(huán)境溫度)；f=5 Hz (切向微動頻率)；N=10000次(微動循環(huán)次數(shù))[20].經(jīng)過多次試驗后，選取效果最佳的一組試驗結(jié)果，利用SEM (掃描電子顯微鏡)對試樣表面和剖面磨損形貌進(jìn)行分析；利用EDS (電子能譜儀)對損傷區(qū)進(jìn)行微區(qū)元素成分分析；利用三維輪廓儀對試樣的三維磨損形貌進(jìn)行分析，并測其磨損體積.

Fig.2 Principle diagram of multifunctional composite fretting wear tester圖2 多功能復(fù)合微動磨損試驗機原理圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微動運行機制

2.1.1Ft-D曲線

在微動磨損試驗中，摩擦力-位移曲線(Ft-D曲線)是表征微動磨損過程重要的動力學(xué)參數(shù)，可以有效地反映材料的微動運行狀態(tài)[21].圖3所示為不同工況下的摩擦力-位移曲線.根據(jù)微動圖理論可知[22-23]，當(dāng)法向載荷Fn=10 N，微動位移D=100 μm時，在整個微動磨損試驗中，試驗得到摩擦力-位移曲線為明顯的平行四邊形狀，這表明微動運行于完全滑移區(qū)，微動試驗過程中兩接觸體處于完全滑移狀態(tài).而當(dāng)法向載荷Fn=25和50 N，微動位移D=100 μm時，其摩擦力-位移曲線呈現(xiàn)出橢圓形與平行四邊形之間相互轉(zhuǎn)換，這表明此時微動運行處于混合區(qū)，如圖3所示.這是因為隨著法向載荷的增加，試樣與摩擦副之間的接觸壓力增大，在微動位移不變的情況下，兩者之間相對滑移更加困難.因此，當(dāng)法向載荷從10 N增加到50 N的過程中，微動運行出現(xiàn)了從完全滑移區(qū)向混合區(qū)的轉(zhuǎn)變.當(dāng)微動位移增加至200 μm后，在法向載荷Fn=10和25 N時，試驗得到摩擦力-位移曲線均呈現(xiàn)明顯的平行四邊形狀，表明在此狀態(tài)下微動運行處于完全滑移區(qū).只有在法向載荷達(dá)到50 N時，摩擦力-位移曲線才出現(xiàn)橢圓形與平行四邊形之間相互轉(zhuǎn)換的趨勢.

Fig.3 Friction-displacement curve under different normal load and displacement amplitude圖3 不同法向載荷和位移幅值下的摩擦力-位移曲線

2.1.2 耗散能

在摩擦力-位移曲線圖中，曲線所圍圖形的積分面積為摩擦力所做的功[24-25]，即材料摩擦耗散能，如圖4(a)所示，可以用來表征微動過程中材料的損傷[26].單個循環(huán)的耗散能(Ed)計算公式為

Fig.4 Fretting wear dissipation energy: (a) definition of each parameter in a single complete fretting loop;(b) dissipative energy under the different normal load and displacement amplitude圖4 微動磨損耗散能：(a)單個完整微動回路中每個參數(shù)的定義; (b)不同法向載荷和位移幅值下的耗散能

其中，f表示摩擦力振幅，δ0表示微動半徑，2δ*表示位移幅值，dδ表示位移幅值的變化量[27].利用上述積分公式，對微動磨損試驗過程中所獲得的Ft-D曲線進(jìn)行積分計算，得到了其相應(yīng)循環(huán)次數(shù)下的能量耗散值，結(jié)果如圖4(b)所示.由圖4(b)可知，隨著施加載荷和微動位移的增大，材料的耗散能明顯增大.在相同的位移幅值下，法向載荷較小時(Fn=10和25 N)，材料的微動損傷較為輕微.在此工況下，材料的彈塑性協(xié)調(diào)起到一定的作用，緩解了材料的磨損損傷，所以摩擦耗散能較小.并且，各循環(huán)次數(shù)下對應(yīng)的耗散能相差不大.而當(dāng)法向載荷增加至50 N時，由于法向載荷較大，微動磨損的前期由于磨損導(dǎo)致材料的嚴(yán)重?fù)p傷，所以初始材料耗散能較大.而隨著大量磨屑的形成和堆積，在后期試驗過程中起到一定的潤滑作用，從而出現(xiàn)耗散能降低的現(xiàn)象.另外，在相同的法向載荷下，增加位移幅值至200 μm時，由于微動位移的增大，增加了試樣與對偶球的接觸面積，微動磨損加劇，材料損傷增大.因此，材料的耗散能隨微動位移的增加而增大[28].

2.2 摩擦系數(shù)

圖5所示為在不同法向載荷和位移幅值下的摩擦系數(shù)曲線.如圖5所示，在不同的法向載荷作用下摩擦系數(shù)曲線隨著循環(huán)次數(shù)的變化大致可以劃分為上升階段、下降階段和平穩(wěn)階段3個階段.在上升階段，隨著微動磨損試驗的持續(xù)進(jìn)行，材料表面附著層和氧化層不斷地被分解剝落，兩個接觸體之間發(fā)生直接接觸，導(dǎo)致摩擦系數(shù)不斷增大，并達(dá)到最大值[29].然后，隨著磨屑的產(chǎn)生并起到一定的潤滑作用，摩擦系數(shù)開始下降.最后，隨著磨屑的產(chǎn)生和排出處于1個相對平穩(wěn)的狀態(tài)，摩擦系數(shù)達(dá)到平穩(wěn)階段.

Fig.5 Friction coefficient curves under the different normal load and displacement amplitude圖5 不同法向載荷和位移幅值下的摩擦系數(shù)曲線

由圖5(a)可知，當(dāng)位移幅值D=100 μm時，摩擦系數(shù)在平穩(wěn)階段出現(xiàn)隨著法向載荷增加而增大的現(xiàn)象，法向載荷為50 N時，其摩擦系數(shù)最大.這可能是因為法向載荷的增大，使兩接觸體之間受力增大.而在微動磨損過程中，兩接觸體之間的相對滑移變得更加困難，因此，接觸載荷越大，其摩擦系數(shù)也越大.而當(dāng)位移幅值D=200 μm時，不同法向載荷作用下獲得較大的初始摩擦系數(shù).可能是因為位移幅值增加，兩接觸體接觸面積增大，使得初始摩擦系數(shù)增大.但是，并沒有摩擦系數(shù)隨著法向載荷增加而增大的現(xiàn)象.可能是因為微動磨損過程中位移幅值的增加，導(dǎo)致產(chǎn)生更多磨屑并參與到微動摩擦磨損的過程中.因此，其摩擦系數(shù)隨法向載荷的變化并沒有明顯的變化趨勢[圖5(b)].

2.3 磨損形貌分析

圖6所示為不同工況下磨痕的三維形貌照片.由圖6(a)可知，在兩種位移幅值下，磨痕的面積均隨著法向載荷的增加而增大.試樣磨痕中心形成類橢圓形凹坑，磨痕邊緣磨屑堆積物較多.由于兩接觸體的相對滑動，微動磨損導(dǎo)致試樣表面形成較大的片塊狀磨屑，并且在試驗過程中，磨屑逐漸堆積在磨痕的邊緣.當(dāng)位移幅值D=100 μm，法向載荷Fn=10和25 N時，可發(fā)現(xiàn)磨痕邊緣有明顯的磨屑堆積現(xiàn)象.并且，磨屑堆積的量較法向載荷Fn=50 N時更為嚴(yán)重.這一現(xiàn)象與摩擦系數(shù)分析時提出的法向載荷越大，磨屑更難排出的結(jié)果相一致.因此，在法向載荷Fn=50 N時，磨痕邊緣磨屑的堆積較為輕微.不同工況下磨痕截面二維輪廓如圖6(b)所示，在相同的位移幅值下，隨著法向載荷的增大，磨痕的深度和寬度均逐漸增大.另外，隨著位移幅值的增加，相同法向載荷作用下磨痕的寬度和深度也明顯增加.利用三維軟件磨損體積計算功能，得到磨痕的磨損體積如圖6(c)所示.由圖6(c)同樣可知，隨著施加載荷和微動位移的增大，試樣的磨損體積逐漸增大.

Fig.6 Three-dimensional micrographs information of grinding marks under different working conditions:(a) three-dimensional morphology; (b) cross-sectional profile; (c) wear volume圖6 不同工況下磨痕的三維形貌信息：(a)三維形貌；(b)截面輪廓；(c)磨損體積

圖7所示為位移幅值D=100 μm時，不同法向載荷下磨痕的SEM形貌照片.如圖7(a~c)所示，隨著法向載荷的不斷增大，試樣的磨損面積逐漸增大.當(dāng)法向載荷Fn=10 N，微動運行處于完全滑移區(qū)時，磨痕區(qū)域出現(xiàn)片狀剝落和磨屑，疲勞磨損和磨粒磨損為主要的磨損機制，如圖7(a)所示.同樣地，由圖7(b~c)可知，當(dāng)法向載荷Fn=25和50 N，微動狀態(tài)為混合模式時，出現(xiàn)裂紋的萌生和擴展現(xiàn)象.磨痕表面出現(xiàn)龜裂的現(xiàn)象，磨屑在磨痕邊緣堆積，其主要的磨損機制為疲勞磨損、氧化磨損和磨粒磨損.在整個微動磨損過程中，所有磨痕邊緣均堆積大量細(xì)小和密集的磨屑.圖7(a1~c1)展示了選取磨痕中不同區(qū)域的磨屑進(jìn)行EDS分析的過程，相應(yīng)的EDS測試結(jié)果如圖7(a2~c2)所示[30]，結(jié)果表明，磨屑中均有O峰的存在，這說明微動磨損試驗中出現(xiàn)了氧化反應(yīng)，形成了氧化物磨屑，進(jìn)一步說明微動磨損試驗過程中氧化磨損的存在.因此，其主要的磨損機制是疲勞磨損、磨粒磨損和氧化磨損[31-32].

Fig.7 SEM micrographs and EDS results of specimens wear under different normal loads at D = 100 μm:(a, a1, a2) Fn=10 N; (b, b1, b2) Fn=25 N; (c, c1, c2) Fn=50 N圖7 在D = 100 μm，不同法向載荷下試樣磨損的SEM照片和EDS測試結(jié)果：(a, a1, a2) Fn=10 N；(b, b1, b2) Fn=25 N；(c, c1, c2) Fn=50 N

圖8所示為位移幅值D=200 μm時，不同法向載荷下磨痕的SEM形貌照片.如圖8所示，試驗后試樣表面有明顯的磨痕，磨痕區(qū)域可以觀察到磨屑和明顯的片狀脫落現(xiàn)象.并且在磨痕邊緣同樣發(fā)現(xiàn)了大量的磨屑堆積現(xiàn)象.隨著法向載荷的增加，磨痕區(qū)域中的剝層出現(xiàn)了明顯的細(xì)化現(xiàn)象.磨屑EDS測試結(jié)果顯示，磨屑中同樣存在大量的O元素，說明了微動磨損試驗過程中氧化磨損的存在[33].其主要磨損機制為疲勞磨損、氧化磨損和磨粒磨損.

Fig.8 SEM micrographs and EDS results of specimens wear under different normal loads at D = 200 μm: (a, a1, a2) Fn=10 N; (b, b1, b2) Fn=25 N; (c, c1, c2) Fn=50 N圖8 在D = 200 μm，不同法向載荷下試樣磨損的SEM照片和EDS測試結(jié)果：(a, a1, a2) Fn=10 N；(b, b1, b2) Fn=25 N；(c, c1, c2) Fn=50 N

2.4 剖面形貌分析

圖9所示為不同法向載荷和位移幅值下磨痕剖面的SEM形貌照片.從圖9可知，隨著微動試驗過程中法向載荷和位移幅值的不斷增大，試樣的磨損范圍逐漸增大(圖中黃色虛線框所示).在位移幅值不變的條件下，當(dāng)法向載荷Fn=10 N時，微動磨損較輕微.此時，材料的損傷主要為輕微的磨損和材料的彈塑性形變調(diào)節(jié)，磨痕剖面位置未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋，如圖9(a1)所示.當(dāng)法向載荷Fn=25 N時，磨痕剖面次表層位置發(fā)現(xiàn)了明顯的裂紋，如圖9(b1)所示.說明裂紋的出現(xiàn)導(dǎo)致了材料剝離，增加了材料的損傷，因此在磨痕表面可發(fā)現(xiàn)存在大量剝落的材料碎屑.繼續(xù)增大施加載荷至50 N時，磨痕剖面同樣發(fā)現(xiàn)裂紋的存在，并且裂紋出現(xiàn)在了距離表面更深的位置，如圖9(c1)所示.主要原因是此時法向載荷較大，磨損區(qū)域受接觸應(yīng)力影響，深度更深.由此可知，在微動磨損過程中，接觸應(yīng)力和摩擦切應(yīng)力的共同作用導(dǎo)致材料次表面出現(xiàn)裂紋萌生和擴展，最終在摩擦切應(yīng)力的作用下使得材料從基體上剝落[34].并且法向載荷越大，其接觸影響深度越深，促進(jìn)裂紋在距離表面更深位置萌生與擴展，加劇了材料的損傷.

Fig.9 SEM micrographs of specimens under the different normal load and displacement amplitude圖9 不同法向載荷和位移幅值下試樣剖面的SEM照片

2.5 損傷演變分析

圖10所示為激光熔覆沉積Inconel 718合金微動磨損損傷演化物理模型.首先，相同的位移幅值下，微動磨損過程中，較小的法向載荷導(dǎo)致材料的彈塑性變形和磨損損傷，試樣的表面出現(xiàn)了塑性變形和疲勞磨損，表面形成較大的剝層和片塊狀的氧化磨屑，如圖10(a)所示.隨著法向載荷的增加，較大的接觸應(yīng)力作用使得剝層破碎，并造成了試樣表層和次表層裂紋的出現(xiàn)和延伸，進(jìn)一步加劇了材料的磨損損傷，如圖10(b)所示.進(jìn)一步增加法向載荷，磨損形成的氧化磨屑進(jìn)一步碎化，最終形成微小的磨屑覆蓋在磨痕表面.并且接觸應(yīng)力的影響深度加深，在距離表面更深的位置出現(xiàn)了裂紋的萌生和擴展，并在摩擦切應(yīng)力的作用下剝離基體，材料損傷明顯加劇，如圖10(c)所示.

Fig.10 Physical model of fretting wear damage evolution of Inconel 718 alloy圖10 Inconel 718合金微動磨損損傷演化物理模型

3 結(jié)論

利用激光熔覆沉積制備了Inconel 718合金試樣，探究不同法向載荷和位移幅值作用下的微動磨損特性.得到結(jié)論如下：

a.隨著微動試驗的持續(xù)進(jìn)行，Inconel 718合金試樣損傷的演變規(guī)律主要表現(xiàn)為初始較大的剝層和塊狀磨屑的出現(xiàn)，然后伴隨著裂紋的萌生和擴展，塊狀磨屑的剝落并碎化，最終形成大量細(xì)小磨屑.其主要的磨損機制為疲勞磨損、氧化磨損和磨粒磨損.

b.在相同的位移幅值下，隨著法向載荷的不斷增大，Inconel 718合金試樣與GCr15鋼球的運行狀態(tài)由完全滑移轉(zhuǎn)變成混合模式.試樣的耗散能、磨損體積和磨痕寬度與深度逐漸增大.

c.當(dāng)法向載荷不變時，隨著位移幅度值的增大，兩接觸體更易于發(fā)生相對滑移，Inconel 718合金材料的磨損損傷加劇.