【摩擦磨损与润滑】四川轻化工大学林海波教授团队：SnAgCu-Al2O3在不同织构角度下对TiNi润滑行为的影响
科技
科学
2024-10-24 17:28
重庆
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为研究高镍钛基合金（TiNi）的摩擦学性能以提高其使用精度和服役寿命，四川轻化工大学林海波教授团队在 TiNi 表面设计了鱼鳞仿生结构，并添加 S-A 固体润滑剂制备了复合材料 SnAgCu- Al2O3/TiNi（简称 S-A/TiNi），重点研究了不同鱼鳞织构的角度参数对固体润滑剂流动性和基体表面硬度的影响，从而探究 S-A 润滑剂在不同织构角度下对TiNi 合金润滑行为的影响。借助摩擦磨损试验仪、场发射扫描电子显微镜和三维表面形貌仪等仪器对磨损表面进行表征，揭示其磨损机理，从而分析出具有最佳摩擦性能的织构角度。摩擦实验的测试条件如下：载荷为 12 N，滑动速度为 0.037 m/s，对磨球为Si3N4（直径为 3.00 mm），测试时间为 80 min，测试温度为室温。通过本论文的研究，期望能够进一步提升 TiNi 合金的性能，推动其在各个领域的广泛应用。图 2 展示了 S-A/TiNi 表面的微观形貌、元素分布图和 EDS 能谱图。从图 2a 可以清晰地观察到，S-A/TiNi 的表面织构中储存了大量的 S-A 润滑剂。图2b~f 展示了图2a 中元素的分布情况，可以看出 S-A固体润滑剂成分在织构凹槽中均匀分布。图 2g 和图2h 分别描述了 Ti 和 Ni 基体元素的分布情况。图 2i是对图 2a 进行的 EDS 分析图，分析结果表明固体润滑剂中含有 Sn、Ag、Cu、Al 和 O 元素，其质量分数分别为4.88%、0.36%、0.23%、10.78%和 11.5%。![]()
图 4 为 TiNi 和 5 种不同织构角度的 S-A/TiNi 试样经过 80 min 滑动试验后的典型摩擦因数和磨损率直方图，以及瞬时摩擦因数随时间的变化曲线。如图 4a 所示，试样从初期磨损阶段快速过渡到稳定磨损阶段。从图 4a 中可以看出，稳定磨损阶段持续了75 min，在该阶段试样摩擦因数稳定，没有磨损失效的情况，并且 S-A/TiNi 样品均表现出优于纯 TiNi 的摩擦学性能，证明 S-A 固体润滑剂对于提升 TiNi 合金具有显著效果。图 4b 展示了 TiNi 和 S-A/TiNi 在稳定磨损阶段的平均摩擦因数和整个实验过程中试样的磨损情况。从图 4b 中观察到，随着织构角度的增大，S-A/TiNi 样品的摩擦因数和磨损率呈现出先减小后增大的趋势。在织构角度为 70°时，S-A/TiNi-70°试样 的 平 均 摩 擦 因 数 和 磨
损 率 分 别 为 0.1 和 1.2×10‒13 m3/(N·m)，在S-A/TiNi 试样中表现出了最好的摩擦学性能。并且与纯 TiNi 相比（平均摩擦因数和磨损率分别为 0.55 和 8.3×10‒13 m3/(N·m)），S-A/TiNi-70°的平均摩擦因数和磨损率分别降低约 81.8%和 85.5%。图 8 展示了磨痕断面形貌的主要元素成分和EDS 图。从图 8a~e 可以看到，Sn、Ag、Cu、Al 和 O等润滑剂元素在 S-A/TiNi-70°的断面上分布均匀，并且 Sn 元素在润滑膜中有富集现象。图 8f 为EDS 分析图，其中 Sn、Ag、Cu、Al 和 O 的质量分数分别为 0.83%、0.21%、0.16%、18.16%和 9.93%。这说明在摩擦过程中，延展性强的 SnAgCu 携带 Al2O3流动，实现了 Al2O3 的滚动摩擦，并且高硬度的 Al2O3减少了对磨球与基体表面的直接接触，从而提高了S-A/TiNi-70°样品的摩擦学性能。![]()
1）采用仿生学方法，在 TiNi 表面设计了阵列结构的鱼鳞状表面织构以提升基体表面的硬度及耐磨性，其表面织构的角度分别为 50°、60°、70°、80°和90°。利用 AB 导轨胶将 S-A 固体润滑剂均匀涂抹到织构凹槽中，制备了 S-A/TiNi 试样。2）在 12 N-0.037 m/s 工况下，与其他织构角度试样相比，S-A/TiNi-70°表现出最佳的摩擦学性能，其摩擦因数和磨损率分别为 0.1 和 1.2×10‒13m3/(N·m)。相较于纯TiNi，摩擦因数和磨损率分别降低了 81.8%和 85.5%。3）研究过程中发现，S-A/TiNi-70°试样表现的优异摩擦学性能依赖于 S-A 固体润滑膜的完整性，摩擦表面形成的固体润滑膜越连续其表面磨损越小。4）S-A/TiNi-70°试样优异的摩擦学性能主要归因于在表面织构为 70°时，织构凹槽中的 S-A 固体润滑剂相较于其他角度更容易流动。这导致织构凹槽中的润滑剂能够大量迁移到摩擦表面形成 S-A 固体润滑膜，从而减少了摩擦副和基体直接接触。该文章发表在《表面技术》第53 卷 第 17 期。
引文格式：熊亚辉, 林海波, 熊邦英, 等.
SnAgCu-Al2O3 在不同织构角度下对 TiNi 润滑行为的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(17): 103-111.
XIONG Yahui, LIN
Haibo, XIONG Bangying, et al. Effect of SnAgCu-Al2O3 on TiNi Lubrication
Behavior at Different Texture Angles[J]. Surface Technology, 2024, 53(17):
103-111.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.009
