【摘 要】
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镍基多晶合金具有较高的强度、优越的高温抗疲劳性、耐腐蚀性、抗蠕变性等优点,常被广泛的应用于航天发动机和工业燃气轮机的高压涡轮叶片中。但其长期服役在恶劣的工作环境下,致使镍基材料之间的摩擦磨损非常严重,导致接触表面形成较多的磨痕。由于真实环境下的磨痕尺度只有几纳米,很难通过实验进行观察分析,这就需要从原子尺度进行分析。将上述过程通过分子动力学模拟来实现。因此,本文采用分子动力学模拟方法对多晶镍基合金
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镍基多晶合金具有较高的强度、优越的高温抗疲劳性、耐腐蚀性、抗蠕变性等优点,常被广泛的应用于航天发动机和工业燃气轮机的高压涡轮叶片中。但其长期服役在恶劣的工作环境下,致使镍基材料之间的摩擦磨损非常严重,导致接触表面形成较多的磨痕。由于真实环境下的磨痕尺度只有几纳米,很难通过实验进行观察分析,这就需要从原子尺度进行分析。将上述过程通过分子动力学模拟来实现。因此,本文采用分子动力学模拟方法对多晶镍基合金进行重复纳米摩擦,研究了重复摩擦过程中基体材料的变形机理、亚表面缺陷、晶体结构转变、摩擦速度与位错滑移之间的关系、晶界结构的影响、磨屑堆积形态、不同的摩擦参数对摩擦特性以及摩擦后材料的性能等方面开展研究,主要研究内容及结果如下:（1）分析了纳米摩擦过程中磨屑的形成机理,并结合摩擦力的变化、基体发生的变形与位错滑移之间进行综合分析。模拟结果表明:磨屑堆积主要形成于磨槽外侧,且分布厚度不均匀。摩擦过程中磨粒对材料的去除具有分流作用,分流点以下的磨屑原子主要流向磨槽底部。此外,沿x、y方向的力呈三角函数曲线变化,当Fx、Fy的值为0时,另一个方向的力并不是最大值,而是延后出现。并且总摩擦力变化与位错滑移的方向有关,当磨粒的速度方向与位错滑移方向一致时,此时摩擦力较小,当速度方向与位错滑移方向存在夹角时,总摩擦力呈增大趋势。（2）研究了摩擦过程中晶界分布对基体合金的变形行为和力学性能的影响,揭示了晶界前后的摩擦形貌变化、摩擦表面质量、基体内部的损伤程度及缺陷演化规律。分析发现:晶界结构能够提高纳米多晶镍的强度,并且阻碍位错形核发展。位于磨粒底部的变质层缺陷随摩擦次数增加而增多,并向基体内部呈梯度递减。另外,摩擦表面与横向晶界距离较大时,横向晶界的阻碍作用较弱。内部缺陷原子迁移程度大,且不同位错的Burgers矢量方向基本相同,形成密集向下的缺陷束,磨粒对晶体的破坏和挤压是导致未摩擦区域原子密度增大的主要原因。（3）模拟并讨论了不同载荷和不同晶粒度下镍基多晶合金的纳米摩擦形变过程,进一步研究了摩擦过程中材料的力学特性变化、表面质量、亚表面缺陷和基体内部位错演化规律。模拟结果表明:大载荷作用下摩擦力波动越明显,振幅变化较大且呈高频振动。摩擦达到稳定阶段时波动值是施加载荷的1.5倍左右,磨损量与其呈线性正相关。此外,随着晶粒度尺寸的减小,摩擦力和摩擦系数均减小,材料出现软化现象,形成较小的缺陷。
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