Si₃N₄陶瓷具有较高的工作温度和力学强度,同时具有优良的物理和化学性能,是航空航天动力系统零部件研制最有前途的材料之一。但是,Si₃N₄陶瓷材料由于硬度大,断裂韧性值小,传统磨削加工效率低,刀具磨损严重。旋转超声磨削加工具有切削力小、加工效率高等特点,逐渐被应用于Si₃N₄陶瓷零部件加工。Si₃N₄陶瓷零部件常常工作在特殊工况下,且零部件之间相互接触并发生相对运动,其表面摩擦磨损行为直接影响陶瓷零部件工作可靠性和使用寿命。摩擦磨损行为是零部件加工表面发生的一系列物理或化学过程,与加工表面特征紧密相关。因此本文以Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工为对象,采用理论分析、数学模型建立与实验相结合的研究方法,研究其表面典型工况下摩擦磨损性能,揭示Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工表面摩擦磨损行为产生机理及变化规律。通过本课题研究,对于提高Si₃N₄陶瓷零部件在航空航天动力系统中工作可靠性和使用寿命具有重要指导意义。本文首先分析了结构陶瓷摩擦过程中接触及力学关系,根据接触特点和材料特性,基于分形理论,提出接触面总载荷应包括弹性变形载荷、塑性变形载荷和微观裂纹开裂载荷,并推导出其理论分析计算公式,在此基础上建立了结构陶瓷摩擦因数分形模型。通过分析得出当初始表面轮廓分形维数分别为1.4、1.45、1.5和1.55时,分析结果表明摩擦因数与摩擦后表面轮廓分形维数呈类似正态分布曲线。同时,基于弹塑性力学和压痕断裂力学建立了 Si₃N₄陶瓷弹塑性磨损、脆性断裂磨损和磨粒磨损等三种典型磨损形式数学模型。在Si₃N₄陶瓷材料表面处于弹塑性磨损阶段,材料加工表面的实际接触面积与载荷的关系取决于表面轮廓曲线和接触状态;摩擦磨损过程中,材料内部应力场包括布西内斯克场、赛路蒂场和残余组元压痕应力场,当裂纹系统中裂纹尖端所承受的应力场强度大于临界应力场强度,裂纹将产生并扩展,即发生了脆性断裂磨损;磨粒磨损时,材料表面的摩擦磨损受力与磨粒运动方式有关,不同的磨粒运动方式,磨粒对接触区域材料的磨损效果不同。设计了不同温度、施加载荷和往复频率的均匀实验表,以旋转超声磨削加工的Si₃N₄陶瓷试样面面接触摩擦为对象,开展了摩擦磨损实验。通过实验结果研究了摩擦后陶瓷材料表面微观形貌和摩擦因数变化规律,分析了各因素对摩擦因数的影响。结果表明:微观裂纹产生是Si₃N₄陶瓷摩擦后表面微观形貌的显著特点,且由于微观裂纹的存在,造成摩擦后表面形貌分形维数大于初始表面分形维数值2.52;摩擦因数随时间变化规律为先增大,后减小并趋于稳定;且相对于普通磨削加工,旋转超声磨削加工的Si₃N₄陶瓷试样摩擦因数较大;温度值等于160℃是Si₃N₄陶瓷摩擦因数由下降转为上升的拐点;当施加载荷为360N和往复频率为80Hz时,摩擦因数最大。通过对Si₃N₄陶瓷在一定温度条件下面面接触摩擦所形成的表面进行观察与能谱分析,研究Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工表面磨损形式及产生机理,并分析不同摩擦条件下磨损表面幅度参数变化规律。得出Si₃N₄陶瓷旋转超声磨削加工表面磨损形式主要有磨粒磨损、剥落磨损、断裂磨损和氧化磨损,其中剥落磨损和断裂磨损的主要机理都为微观裂纹的产生及扩展;磨粒磨损的主要机理为材料塑性变形,且与材料表面断裂韧性具有较大关系;氧化磨损是由于陶瓷材料中Si元素在一定温度条件下与O元素发生了化学反应,形成了结合强度较低的SiO2氧化膜。随着温度和载荷的上升,磨损表面算术平均偏差和表面均方根偏差基本都呈递减趋势,而随着往复频率的增大,Si₃N₄陶瓷磨损表面的算术平均偏差呈递增趋势。