【摘 要】
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随着现代科技发展对特殊材料需求的与日俱增,镍基复合材料因其优异的高温力学性能被广泛应用于各个行业。然而,在极端使役过程中该材料常因摩擦磨损而失效,所以研究该材料磨损的起源和机理具有重要的意义。长期以来,对于摩擦磨损机理的研究大多数采用实验手段,但受限于检测装备和实验成本的限制,很难全方位动态观察原子运动的细节,无法从本质上解释镍基复合材料摩擦磨损机理。而分子动力学模拟作为一种科学算法,已被证实是有
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“镍基单晶合金高温域摩擦学性能及摩擦氧化损伤机理研究”（项目编号:52265025）； 固体润滑国家重点实验室开放课题“使役环境下航空用高温合金微观磨损及强化机理研究”（项目编号:LSL-2215）；
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随着现代科技发展对特殊材料需求的与日俱增,镍基复合材料因其优异的高温力学性能被广泛应用于各个行业。然而,在极端使役过程中该材料常因摩擦磨损而失效,所以研究该材料磨损的起源和机理具有重要的意义。长期以来,对于摩擦磨损机理的研究大多数采用实验手段,但受限于检测装备和实验成本的限制,很难全方位动态观察原子运动的细节,无法从本质上解释镍基复合材料摩擦磨损机理。而分子动力学模拟作为一种科学算法,已被证实是有效研究材料微观层面的有力工具,它可以从构成材料的基本单元入手,从纳米级别对原子进行运动分析,揭示增强体的强化机理和界面结构,厘清镍基复合材料的摩擦磨损机理,所获得的结果对工程中提高工件寿命和安全运行具有重要意义。本文通过建立准确的TiC/Ni基复合材料基本模型,从摩擦方式（重复圆周摩擦、固定载荷直线摩擦）和TiC相分布特性的角度,开展了TiC/Ni基复合材料纳米级摩擦学行为、摩擦磨损特性和增强体TiC的强化机理研究。主要工作体现在以下几个方面:（1）从摩擦力、磨损率、原子位移、内部缺陷演化和温度等方面综合研究了磨球重复摩擦TiC/Ni基复合材料的过程。研究发现:磨球对工件的作用传递到TiC相时,摩擦力极值出现,工件中发生较大位移的原子数少,原子表现出绕开TiC相的位移趋势,TiC相承担了外部的作用能导致其温度升高,工件温度分布出现不连续性。重复摩擦过程中,初次摩擦产生的大结构缺陷被破坏为小结构缺陷或稳定的层错四面体结构,导致位错缠结的形成,提高了工件整体的抗磨能力,且TiC相的温度迅速增高,与基体的温度差别逐渐增大。（2）探究了磨球从接触工件材料开始直至压实过程中的变形行为。结果表明,摩擦力和法向力的变化与磨球和TiC相的相对位置有关,磨球位于TiC相正上方时,摩擦力出现较大波动,法向力出现峰值。摩擦过程中TiC相的存在阻碍了缺陷的发展和延伸,导致发生位错缠结,提高了工件的抗磨能力。还发现,碳化相引导的内部原子运动与磨球相对于强化相的位置有关,磨球相对于强化相不同位置时,强化相产生了不同方向的旋转趋势,进而影响整个工件的变形。（3）讨论了TiC相的分布特性对镍基体摩擦学性能的影响。建立了不同TiC相半径和深度的MD模型。研究发现,具有大半径和小深度分布的TiC相容易产生局部应力集中,形成高位错密度区域,引起位错之间的相互作用,形成位错运动的障碍,使工件的变形抗力增强。还发现,TiC相的存在改变了工件内部的应力状态,使TiC相及周围镍原子成高温状态。但是,TiC相下方工件原子总是以低温状态存在,具有很好的隔热作用,提高了材料的高温性能。镍基复合材料和分子动力学技术的结合,可以为镍基复合材料的研究提供新的视角和突破,从而更好地利用镍基复合材料的优势,更有效地开发出更高性能的产品。
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