论文部分内容阅读
铝基复合材料具有较高的比刚度和比强度,其热膨胀系数低、尺寸稳定、耐磨性优异,故可广泛应用在交通运输、航空航天、军事国防等领域,尤其在国防领域,铝基复合材料常用于苛刻工况下的传动零部件,如发动机活塞,其运行过程中,在因柴油或润滑油纯度不足经不完全燃烧而产生的含硫腐蚀气氛中高速运行,此时材料的耐磨性成为影响其使用的关键因素。国内外关于活塞等传动零部件材料磨损行为的研究主要集中在室温干摩擦和油润滑这两种工况下,而对类似实际服役工况(如含硫边界润滑工况)中该类材料磨损行为的研究相对较少。因此,本文在研究室温干摩擦和油润滑两种工况中铝基复合材料磨损行为的同时,也对含硫边界润滑工况中该材料的磨损行为进行研究,以了解和掌握磨损工况对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响规律。本文采用球磨和热压烧结相结合的方法制备单相VN/7075复合材料(VN含量分别为5wt.%、10wt.%、15wt.%和20wt.%)、双相TiB2-TiCx/7075复合材料(TiB2-TiCx含量分别为10wt.%、20wt.%、30wt.%、和40wt.%)和多相(VN,TiB2-TiCx)/7075复合材料,以Al 7075为对比材料,主要研究三种材料在不同工况(干摩擦、油润滑、含硫边界润滑)和不同温度(室温、100℃、200℃)中的摩擦磨损性能。本研究分别采用MFT-R4000高速往复摩擦磨损试验机和HT-1000高温摩擦磨损试验机在不同工况和不同温度中进行摩擦磨损试验,并借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、3D激光共焦显微镜、微区XRD衍射仪和拉曼光谱仪等研究方法,分析不同试样磨损面和亚表层的形貌特征及化学组成,重点研究服役工况和温度两种因素对VN,TiB2-TiCx/7075复合材料摩擦磨损性能的影响规律。主要研究结论如下:对VN,TiB2-TiCx/7075复合材料的组织与力学性能研究表明,单相VN/7075和双相TiB2-TiCx/7075复合材料中,随着VN和TiB2-TiCx含量的增加,两种材料的力学性能呈现先增大后减小趋势。当VN和TiB2-TiCx的含量分别为15wt.%和20wt.%时,VN和TiB2-TiCx在Al 7075基体中分布较为均匀,弥散。15wt.%VN/7075复合材料的维氏硬度和抗拉强度达到最大值,分别为119.5Hv和308.5MPa,其断裂机理为准解理断裂;20wt.%TiB2-TiCx/7075复合材料的维氏硬度为270.2Hv,其抗压强度达到最大值798.7MPa,断裂机理为解理断裂,两种复合材料均兼顾优异的组织、力学性能;对不同工况中VN,TiB2-TiCx/7075复合材料的摩擦磨损性能研究表明,在干摩擦、油润滑、含硫边界润滑三种工况中,VN,TiB2-TiCx/7075复合材料的摩擦系数和体积磨损率均呈现出:干摩擦>含硫边界润滑>油润滑。干摩擦工况中,Al 7075材料的磨损机理主要为剥层磨损,而单相15wt.%VN/7075、双相20wt.%TiB2-TiCx/7075和多相(VN,TiB2-TiCx)/7075三种复合材料的磨损机理主要为磨粒磨损(显微切削),多相(VN,TiB2-TiCx)/7075复合材料在该工况下具有较好的摩擦磨损性能;油润滑工况中,四种材料的磨损机理均以显微切削为主,该工况下,双相20wt.%TiB2-TiCx/7075复合材料具有较好的摩擦磨损性能;含硫边界润滑工况中,相比Al 7075材料,加入润滑相VN后,材料磨损面存在一层可改善其耐磨性的自润滑膜(主要成分为(SN)x和VSx),四种材料的磨损机理主要为显微切削,该工况中多相(VN,TiB2-TiCx)/7075复合材料具有较好的摩擦磨损性能;对不同温度中VN,TiB2-TiCx/7075复合材料的摩擦磨损性能研究表明,在室温、100℃、200℃三种温度下,随温度的升高,Al 7075材料、15wt.%VN/7075和20wt.%TiB2-TiCx/7075复合材料的摩擦系数和体积磨损率逐渐增大。20wt.%TiB2-TiCx/7075复合材料的高温摩擦磨损性能较好,当温度为200℃时,其体积磨损率相对Al 7075材料降低了34.0%,摩擦系数降低了5.8%,磨损机理主要为粘着和氧化磨损。