汽輪機轉(zhuǎn)子在汽輪機系統(tǒng)中承擔(dān)著能量轉(zhuǎn)換、傳遞扭矩和支撐葉片等作用，依靠轉(zhuǎn)子與軸瓦組成的滑動軸承摩擦副實現(xiàn)有效潤滑和承載，保障設(shè)備穩(wěn)定運行。在《中國制造2025》中，要求電力裝備制造業(yè)向智能化[1]、綠色化[2]及高效化[3]等方面發(fā)展。作為發(fā)電和動力裝備的核心部件，汽輪機轉(zhuǎn)子實現(xiàn)輕量化可提高汽輪機的輸出功率、可靠性和穩(wěn)定性[4-6]，延長設(shè)備使用壽命，是我國突破能源動力裝備行制造業(yè)瓶頸的重要研究內(nèi)容。汽輪機常見的轉(zhuǎn)子材料包括45鋼[7]、12Cr鋼[8]和3.5NiCrMoV鋼[9]等，常見軸瓦材料包括巴氏合金[10]、鈷基合金[11]和聚醚醚酮[12]等，由于轉(zhuǎn)子大質(zhì)量和不平衡質(zhì)量引起的離心力導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子撓曲、擾動和高壓氣體腐蝕等問題嚴(yán)重影響汽輪機功能和使用壽命。

當(dāng)前汽輪機轉(zhuǎn)子輕量化研究方向包括材料改進、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及集成設(shè)計等。TC4鈦合金作為輕量化常用材料，具有高比強度、低密度、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性強及抗氧化性等優(yōu)點[13-14]，李昌等[15]研究了TC4鈦合金板材熱處理后的顯微組織演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其具備相互交錯的網(wǎng)籃組織，同時具有較高的顯微硬度。LiuMing等[16]研究了激光粉末床熔覆工藝下TC4鈦合金的鈍化膜形成速率、成分、形成機制和腐蝕性能，相比于鑄造工藝具有更優(yōu)異的抗腐蝕性能。對于汽輪機轉(zhuǎn)子在高溫、高壓和氣體腐蝕的服役環(huán)境下，TC4鈦合金具備較大優(yōu)勢。

TC4鈦合金材料用于汽輪機轉(zhuǎn)子，還需解決鈦合金軸頸與軸承之間的摩擦副匹配問題。關(guān)于TC4鈦合金機械性能和摩擦學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者也進行了諸多研究：王劍飛等[17]研究了磨屑對TC4鈦合金微動磨損行為的影響，結(jié)果顯示，磨屑呈松散的顆粒狀，多數(shù)呈現(xiàn)團聚狀態(tài)，清除磨屑會導(dǎo)致摩擦系數(shù)和系統(tǒng)形變量顯著下降，最大降幅分別可達(dá)63%和41%。王蘭等[18]對TC4和TC11合金的磨損性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)TC4和TC11合金在25℃時抗磨損性能較差，而在600℃時則表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨損性能，此時TC11合金的磨損率低于TC4合金。劉濤等[19]研究了熱處理對TC4鈦合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，通過不同的熱處理工藝，分析了其相組成和晶粒尺寸等微觀結(jié)構(gòu)的變化以及對強度和塑性等力學(xué)性能的影響。俞樹榮等[20]研究了TC4鈦合金和GCr15鋼以及Si3N4的微動磨損行為，分析了摩擦副隨載荷變化的摩擦系數(shù)和磨損機制。馬震等[21]采用激光微加工法在TC4鈦合金表面制備了自潤滑復(fù)合耐磨結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未織構(gòu)面相比磨損量降低了99.3%，與未熱氧化面相比磨損量降低了46.1%。尹艷麗等[22]采用研究了天然微納米蛇紋石粉體作為CD5W/40潤滑油添加劑對Ti6Al4V合金摩擦學(xué)性能的影響，在不同添加量、載荷和頻率條件下考察了和鋼配副的鈦合金的潤滑自修復(fù)行為。但對于TC4鈦合金轉(zhuǎn)子和巴氏合金軸瓦組成的新型軸承，其摩擦副摩擦學(xué)性能和磨損機理還有待揭示。

本文中分別在油潤滑和干摩擦條件下，對比研究了TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副和45鋼-巴氏合金摩擦副的摩擦學(xué)性能，探究了不同載荷和線速度對摩擦副的摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律，分析其摩擦磨損機制，闡明了TC4鈦合金-巴氏合金新型軸承摩擦副應(yīng)用的可能性，為汽輪機轉(zhuǎn)子輕量化設(shè)計提供試驗依據(jù)。

1、試驗部分

1.1試驗裝置和參數(shù)

為揭示新型軸承摩擦副的摩擦磨損機理，采用環(huán)塊摩擦磨損試驗機開展試驗。試驗對象為TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副和45鋼-巴氏合金摩擦副，后者是目前常用的汽輪機軸承摩擦副，摩擦副由金屬試塊和試環(huán)組成，其示意圖如圖1所示。

試驗條件分為干摩擦和油潤滑，其中，采用的汽輪機潤滑油牌號為L-HM46，環(huán)塊摩擦副接觸面完全浸沒在潤滑油中。試塊材質(zhì)為SnSb11Cu6錫基巴氏合金，幾何尺寸長寬高為6.5mm×15.5mm×10mm，接觸面粗糙度(Ra)為0.8μm。試環(huán)材質(zhì)分別為45鋼和TC4鈦合金，幾何尺寸為外徑Φ35mm×6.7mm，表面粗糙度(Ra)為0.8μm。摩擦磨損試驗機裝置如圖2所示。

環(huán)塊摩擦磨損試驗機由驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、加載機構(gòu)及摩擦磨損機構(gòu)組成。驅(qū)動機構(gòu)由驅(qū)動電機構(gòu)成，驅(qū)動電機可提供最大1440r/min的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電機產(chǎn)生的驅(qū)動力借助2個聯(lián)軸器傳遞至試驗軸，兩聯(lián)軸器之間裝有轉(zhuǎn)速和扭矩傳感器。加載機構(gòu)包括伺服步進電機、加載彈簧和加載桿，伺服步進電機由位移傳感器控制，可施加垂直方向位移，位移引起加載彈簧形變，依據(jù)胡克定律可產(chǎn)生相互的加載力，通過加載桿傳遞至摩擦副位置。加載力的真值借助加載彈簧上方的壓力傳感器獲取，載荷穩(wěn)定后，波動范圍在1%左右。摩擦磨損機構(gòu)主要由試環(huán)和試塊構(gòu)成。試塊通過緊固螺栓安裝于金屬環(huán)上方的槽內(nèi)，試環(huán)固定于帶有螺紋的套筒之間，之后整體借助轉(zhuǎn)軸上的螺紋孔定位，與軸緊固配合進行相對同步的旋轉(zhuǎn)運動，與試塊實現(xiàn)相對摩擦。摩擦副位置設(shè)置有水平方向壓力傳感器，用于采集轉(zhuǎn)軸對磨產(chǎn)生的切向力。所有傳感器接入數(shù)據(jù)采集卡，將采集信號傳輸至電腦，通過計算機端的DAQsensor軟件對試驗數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和采集。

1.2試驗方法

環(huán)塊摩擦磨損試驗的試驗方案列于表1中。

試驗載荷分別為50、100、150和200N，根據(jù)式1計算對應(yīng)的接觸比壓，即為0.76、1.53、2.29和3.05MPa。

式中，p為比壓(Pa)，F(xiàn)為施加載荷(N)，α為修正系數(shù)0.288，d為試環(huán)直徑(m)，l為試塊長度(m)。

根據(jù)式2線速度計算公式，油潤滑條件下，試驗轉(zhuǎn)速最大為1260r/min，即線速度最大為2.31m/s，干摩擦條件時，試驗轉(zhuǎn)速最大為900r/min，即線速度最大為1.65m/s。

式中，Vm為線速度(m/s)，n為軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

為模擬設(shè)備實際運行中的啟停及換速工況，每組試驗從0r/min開始先升速后降速，觀察轉(zhuǎn)速傳感器采集的數(shù)據(jù)，待各工況轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，采集穩(wěn)定狀態(tài)下30s數(shù)據(jù)，采樣頻率為100Hz，每個工況試驗總時長為45s，油潤滑試驗總時長為89min，干摩擦試驗總時長為53min，其中預(yù)磨損時間均為5min。為保持潤滑環(huán)境的一致性，進行油潤滑試驗時，每次試驗后更換潤滑油。進行干摩擦試驗時，使用熱成像拍攝儀實時監(jiān)測摩擦副接觸溫度并進行記錄，每組試驗結(jié)束試驗臺冷卻至常溫。每組進行多次重復(fù)性試驗驗證試驗可靠性。試驗前后分別將環(huán)、塊用裝有無水乙醇的超聲波清洗機清洗15min，烘箱烘干8h。

摩擦系數(shù)為摩擦力和施加載荷之比，由式(3)計算：

式中，μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)m為摩擦力(N)，摩擦力和施加載荷由DAQsensor軟件進行采集。試塊磨損量根據(jù)體積磨損率確定，計算方法為

式中，Ww為體積磨損率(mm3)，V為試塊磨損體積(mm3)，S為滑動距離(m)。磨損體積根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12444-2006[23]進行計算：

式中，b為磨痕平均寬度(mm)。

式中，t為試驗時間(s)。

摩擦磨損試驗結(jié)束后，采用EM-30AX掃描電子顯微鏡(SEM)對清洗后的巴氏合金試塊進行表面形貌觀察，并使用VK-X1000形狀測量激光顯微系統(tǒng)拍攝試塊磨損后三維形貌[24]以進行對比分析。

2、結(jié)果與分析

2.1油潤滑摩擦磨損試驗分析

2.1.1摩擦系數(shù)

根據(jù)多次試驗結(jié)果，繪制油潤滑、變載荷和轉(zhuǎn)速下45鋼-巴氏合金摩擦副的摩擦系數(shù)箱線圖，如圖3所示。同一轉(zhuǎn)速下，隨著載荷增加，45鋼摩擦副的摩擦系數(shù)先減小后保持穩(wěn)定，同一速度下的摩擦系數(shù)基本不變。這是由于載荷增大，摩擦表面粗糙峰接觸面積增加，接觸應(yīng)力減小，而巴氏合金中軟基體變形保持了一定的油膜強度，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)先減小后保持穩(wěn)定。同一載荷下，隨著轉(zhuǎn)速升高，摩擦系數(shù)逐漸降低，并在轉(zhuǎn)速達(dá)到810r/min時，摩擦系數(shù)降至0.02后趨于穩(wěn)定。這是由于隨著轉(zhuǎn)速增加，摩擦副之間逐漸形成一定厚度的油膜，摩擦副實際接觸面積逐漸減少，流體動壓潤滑效應(yīng)凸顯，導(dǎo)致摩擦系數(shù)呈現(xiàn)上述規(guī)律。

相同工況下，TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副的摩擦系數(shù)箱線圖如圖4所示。隨著載荷和轉(zhuǎn)速變化，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數(shù)變化規(guī)律與45鋼摩擦副類似，不同之處在于前者摩擦系數(shù)波動范圍更大且未保持穩(wěn)定。這是因為TC4鈦合金彈性模量較小，更容易發(fā)生彈性形變，且易形成氧化膜，氧化膜的磨損和形成過程實時變化，同時其導(dǎo)熱性相對較差，熱量傳遞較慢。從而影響摩擦副的接觸狀態(tài)，導(dǎo)致兩者摩擦系數(shù)變化規(guī)律產(chǎn)生差異。

分別將45鋼摩擦副和TC4鈦合金摩擦副的平均摩擦系數(shù)匯總，如圖5所示。可以看出，45鋼摩擦副摩擦系數(shù)隨著線速度增大呈現(xiàn)“浴盆曲線”，但TC4鈦合金摩擦副呈現(xiàn)“錐形線”，后者摩擦系數(shù)下降更陡峭。此外，載荷在50N時45鋼摩擦副摩擦系數(shù)小于TC4鈦合金摩擦副，但載荷大于100N后，后者摩擦系數(shù)小于前者，特別是載荷為200N時，后者平均摩擦系數(shù)比前者減小了94.9%。這是因為TC4鈦合金硬度較高，輕載情況下相比于45鋼在摩擦副接觸面位置產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中，造成表面形貌損傷，因此輕載時TC4鈦合金摩擦副摩擦系數(shù)更大。而重載時，兩者與巴氏合金中硬質(zhì)相接觸面積增加，而TC4鈦合金更能抵抗塑性變形，表面完整性更好，同時摩擦熱增加，TC4鈦合金摩擦副摩擦化學(xué)反應(yīng)更為活躍，氧化膜更穩(wěn)定，因此重載時TC4鈦合金摩擦副摩擦系數(shù)更小。

2.1.2表面形貌分析

為了進一步揭示磨損機理，油潤滑條件下2種摩擦副表面形貌的VK-X1000照片和SEM照片分別如圖6和圖7所示。結(jié)合圖6(a)和圖7(a)可知，由于潤滑油的黏度較小，試驗前期45鋼摩擦副黏著結(jié)點的強度小于材料強度，產(chǎn)生輕微黏著磨損。試驗后期形成流體動壓潤滑，減小了摩擦副直接接觸磨損，使材料表面粗糙度降低，因此其表面較平整均勻，只有輕微劃痕和少量凹坑，其表面情況與摩擦系數(shù)和磨損量的試驗結(jié)果相符合。

圖6(b)和圖7(b)所示為TC4鈦合金摩擦副表面形貌的微觀照片。與45鋼相比，TC4鈦合金表面存在較明顯的劃痕和凹坑，同時存在磨粒。這是由于TC4鈦合金硬度較高，試驗中未形成流體動壓潤滑時，摩擦副接觸面存在輕微硬質(zhì)相相磨，產(chǎn)生少量磨屑并形成輕微磨粒磨損，對摩擦副表面造成損傷，影響其摩擦系數(shù)和磨損量，與試驗結(jié)果相對應(yīng)。

使用VK-X1000形狀測量激光顯微系統(tǒng)觀測45鋼和TC4鈦合金摩擦副的巴氏合金表面的三維照片，如圖8所示。可以看出，磨損后兩摩擦副表面粗糙度均增大，同時伴有劃傷，與圖6和圖7顯示的結(jié)果相對應(yīng)。同時，TC4鈦合金摩擦副的磨痕深度和寬度相比于45鋼摩擦副均有增加，與磨損量測試結(jié)果相符合。

2.2干摩擦摩擦磨損試驗分析

2.2.1摩擦系數(shù)

根據(jù)多次試驗結(jié)果，繪制干摩擦、變載荷和轉(zhuǎn)速下45鋼-巴氏合金摩擦副的摩擦系數(shù)箱線圖，如圖9所示。同一轉(zhuǎn)速下，隨著載荷增加，45鋼摩擦副的直接接觸導(dǎo)致其摩擦系數(shù)較大，但摩擦系數(shù)整體變化趨勢與油潤滑條件時較為一致。這是由于摩擦副持續(xù)高溫摩擦，試塊表面出現(xiàn)顆粒狀磨屑，減小粗糙峰直接接觸，形成固體潤滑效果，同時增大散熱空間，減小熱量累積，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。同一載荷下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，摩擦系數(shù)呈上升趨勢，這是由于摩擦熱累積，摩擦副接觸溫度逐漸增加，摩擦副表面形貌被破壞，粗糙度增加，導(dǎo)致摩擦系數(shù)呈現(xiàn)上述規(guī)律。

相同工況下，TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副的摩擦系數(shù)箱線圖如圖10所示。隨著載荷和轉(zhuǎn)速變化，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數(shù)變化規(guī)律與45鋼摩擦副類似，不同之處在于前者摩擦系數(shù)變化范圍更小且更穩(wěn)定。這是因為隨著摩擦熱的產(chǎn)生，接觸面溫度升高，促進前者氧化層的形成，減少了金屬間的直接接觸，而TC4鈦合金的熱穩(wěn)定性又比較好，硬度高，塑性變形較小，因此摩擦系數(shù)變化趨勢較平緩。

分別將45鋼摩擦副和TC4鈦合金摩擦副的平均摩擦系數(shù)匯總，如圖11所示。可以看出，45鋼摩擦副摩擦系數(shù)隨載荷和線速度增加變化更為劇烈，而TC4鈦合金摩擦副更為穩(wěn)定。此外，載荷在100N以下時，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數(shù)小于45鋼，但載荷大于150N時，后者摩擦系數(shù)小于前者。這是因為輕載時TC4鈦合金摩擦化學(xué)反應(yīng)不活躍，形成的氧化膜完整性較高，同時其硬度較大，塑性變形較小，保證了摩擦接觸面的表面平整度，因此TC4鈦合金摩擦副摩擦系數(shù)更小。而重載時摩擦熱大量累積，45鋼摩擦副持續(xù)高溫運行，產(chǎn)生了黑色粉末狀磨屑，形成固體潤滑效果，減小了摩擦副間的直接接觸，因此重載時TC4鈦合金摩擦副摩擦系數(shù)更大。

2.2.2表面形貌分析

為了進一步揭示磨損機理，干摩擦條件下2種摩擦副的VK-X1000表面形貌照片和SEM表面形貌照片如圖12和圖13所示。結(jié)合圖12(a)和圖13(a)可知，45鋼摩擦副表面存在較明顯的犁溝狀劃痕和大片剝落，這是由于干摩擦?xí)r摩擦副直接接觸，材料累積大量熱量，加劇了粗糙峰接觸產(chǎn)生的黏著磨損。隨著環(huán)塊的相對轉(zhuǎn)動，黏著結(jié)點的強度和面積均增大，發(fā)生膠合磨損，導(dǎo)致大片材料撕裂剝落，使得表面粗糙度急劇增加，同時少量磨粒隨機附著在摩擦副兩表面，產(chǎn)生大量犁溝狀劃痕，導(dǎo)致摩擦副摩擦系數(shù)升高，磨損量增大。

圖12(b)和圖13(b)所示為TC4鈦合金摩擦副表面形貌的SEM照片，與45鋼相比，TC4鈦合金表面犁溝狀劃痕和剝落更為明顯，這是由于TC4鈦合金的硬度和強度較高，巴氏合金表面的疲勞損傷更為嚴(yán)重，而其彈性模量較低，抗彈性變形較差，表面平整度較差，產(chǎn)生的摩擦熱效應(yīng)更為顯著，黏著磨損和磨粒磨損更嚴(yán)重。

使用VK-X1000形狀測量激光顯微系統(tǒng)觀測45鋼和TC4鈦合金摩擦副的巴氏合金表面形貌的三維照片，如圖14所示。可以看出，磨損后兩摩擦副的巴氏合金表面粗糙度急劇增加，伴有明顯犁溝劃痕，同時伴有磨屑堆積，與圖11和圖12顯示的結(jié)果相對應(yīng)。同時TC4鈦合金摩擦副的磨痕深度和寬度相比于45鋼均有增加，與磨損量測試結(jié)果相符合。

2.3體積磨損率

根據(jù)多次試驗結(jié)果，油潤滑和干摩擦條件下的45鋼和TC4鈦合金摩擦副中巴氏合金試塊的平均體積磨損率如圖15所示。油潤滑條件下，45鋼摩擦副的體積磨損率遠(yuǎn)小于TC4鈦合金摩擦副，45鋼-巴氏合金的體積磨損率為72.57mm³/(N·m)，TC4鈦合金-巴氏合金的體積磨損率為994.90mm3/(N·m)。干摩擦條件下，45鋼摩擦副的體積磨損率小于TC4鈦合金摩擦副，45鋼-巴氏合金的體積磨損率為753.62mm³/(N·m)，TC4鈦合金-巴氏合金的體積磨損率為2884.26mm3/(N·m)。這是由于油潤滑時，TC4鈦合金初始摩擦系數(shù)較大，干摩擦?xí)r，TC4鈦合金黏著磨損更為劇烈。因此整體而言，相同工況下，TC4鈦合金相比45鋼磨損情況更加劇烈。

綜上所述，相比于現(xiàn)有油潤滑軸承的45鋼-巴氏合金摩擦副，在油潤滑及輕載條件下，新型軸承的TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副摩擦學(xué)性能相近，表面形貌較為平整，粗糙度相對較小，在重載時后者摩擦學(xué)性能更為優(yōu)異，但累積磨損量較大；在干摩擦及輕載時，TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副摩擦學(xué)性能更為優(yōu)異，但在重載時摩擦系數(shù)相對較大，磨損量隨之增加，表面形貌遭到破壞。因此當(dāng)處于油潤滑環(huán)境下工作時，TC4鈦合金-巴氏合金新型軸承基本可以替代45鋼-巴氏合金軸承。但當(dāng)處于干摩擦或者極端低速重載時，需要對TC4鈦合金進行表面處理，根據(jù)實際工況選擇表面合金化[25]、表面涂層[26]和表面改性[27]等技術(shù)提高摩擦副摩擦和磨損性能。

3、結(jié)論

本文中選取了TC4鈦合金和45鋼2種材料與巴氏合金進行摩擦磨損試驗，研究了它們在油潤滑和干摩擦條件下不同工況的摩擦學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

a.摩擦系數(shù)：油潤滑條件下，在載荷為50N時，45鋼摩擦副摩擦系數(shù)小于TC4鈦合金摩擦副；載荷≥100N時，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數(shù)更小。干摩擦條件下，在載荷≤100N時，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數(shù)小于45鋼摩擦副；載荷≥150N時，45鋼摩擦副摩擦系數(shù)更小。

b.體積磨損率：相同工況下，TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副的體積磨損率明顯大于45鋼-巴氏合金，油潤滑時前者是后者的13.7倍，干摩擦?xí)r為3.8倍。

c.表面形貌：油潤滑條件下，45鋼和TC4鈦合金摩擦副的表面均較為平整，存在輕微劃痕和凹坑，產(chǎn)生輕微黏著磨損和磨粒磨損。干摩擦條件下，45鋼和TC4鈦合金摩擦副的表面均存在明顯的犁溝狀劃痕和大片剝落，黏著磨損和磨粒磨損較為嚴(yán)重。

d.對于TC4鈦合金-巴氏合金新型軸承，油潤滑環(huán)境工作時基本可以替代45鋼-巴氏合金軸承，但在干摩擦或低速重載的極端工況時，仍須對TC4鈦合金進行表面處理，用以提高摩擦副摩擦和磨損性能。

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