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钛合金作为一种新兴的结构材料,与传统金属材料相比具有许多突出优点。近年来已有将钛合金应用于内燃机活塞的相关研究。本文针对TC4钛合金耐磨性差这一关键问题,结合活塞具体运动工况,对活塞不同部位的TC4钛合金表面采用了不同的耐磨处理方式,分析了不同方式处理下TC4钛合金的摩擦学性能,具体内容有:(1)首先建立TC4活塞模型,运用ANSYS WORKBENCH仿真软件分析活塞的沿度场,结果显示活塞的最高温度出现在顶面和火力岸位置。同时分析运动过程中的受力情况和接触状态,初步判定磨损类型,根据温度场仿真及静力学分析结果设计合理的活塞的表面处理工艺。(2)针对活塞头部高温区域,本文采用高温渗硼工艺提高此区域的表面硬度。研究了在1000℃下不同保温时长对渗硼层厚度的影响。SEM观测结果发现:渗硼处理后基体表面生成微米级的微凸起颗粒,随着渗硼时间的增长,微凸起变得更密集,渗层厚度不断增大,硬度也逐渐增大。采用球-盘摩擦实验机研究在不同载荷和滑动速度下渗硼表面的摩擦学性能。在干摩擦条件下,渗硼表面的摩擦系数均高于未渗硼表面,但渗玥表面的耐磨性能更优。乏油润滑时,以渗层厚度最薄的表面为例,其摩擦系数约为基体的50%,同时无明显磨损痕迹,抗磨性能优良。(3)针对活塞上、下止点处的润滑油难存储问题,对Ti6Al4V基体采用微弧氧化处理制备多孔耐磨陶瓷层以提高润滑油的存储性能和耐磨性。随着微弧氧化时间的增长,氧化膜层变厚,且硬度由基体的253HV0.5增加到2028HV0.5,但表面孔洞直径和膜层粗糙度也增大。干摩擦实验表明:处理5min的氧化膜层摩擦系数最低,但易被磨穿,抗磨性能差。随着微弧氧化时间的延长,氧化膜层的抗磨性能得到改善。在乏油润滑下,处理5min的表面磨损最严重,处理15min的表面磨损最轻。对比了不同润滑油的边界润滑性能,发现PAO10油具有更好的润滑性能。(4)针对运动过程中,缸体中间存在偏磨问题,采用石墨烯-树脂固体润滑涂层进行防护。研究表明适量的石墨烯会改善涂层的抗磨性能,但添加量过多会导致摩擦系数增大,0.8%石墨烯的涂层表面减摩耐磨性能最优。进一步地,引入减磨剂MoDTC、BDDP和润滑油PAO10对涂层进行边界润滑,涂层均具有良好的耐磨性,相比于添加减磨剂MoDTC、BDDP,润滑油PAO10油在石墨烯固体润滑涂层边界润滑条件下的减摩性能最好。