TC21钛合金是中国自主研制的在中等温度使用的α+β两相钛合金，是在美国Ti-6-22-22S基础上开发的^{[1, 2]}。TC21具有良好的强度、塑性、断裂韧性及裂纹扩展速率的匹配^[2-5]，成为目前中国高强、高韧钛合金综合力学性能匹配较好的钛合金之一^[6]。在航空航天领域，TC21以其优异的性能主要用于飞机的发动机、机体和机载设备等对强度及耐久性要求高的重要的承力部件^[7-10]。但用于连接紧固件时，会出现严重的微动损伤问题，不仅影响零件尺寸、降低精度，使配合零件间产生松动，还易引起应力集中，促使微裂纹萌生扩展，由此导致的损伤会严重影响构件的正常工作和安全寿命^[10-14]。柏林等^[15]研究了微动频率、法向载荷、微动振幅对钛合金TC21磨损量的影响，磨损机制主要以磨粒磨损为主，随着微动的进行剥落磨损和粘着磨损的作用逐渐明显。而针对钛合金TC21在高温条件下的微动损伤研究相对较少^[16]，温度是重要的环境参数之一，对于微动磨损有着重要的影响作用。本文利用先进的高精度FTM高温微动磨损试验机，研究了TC21钛合金在高温时的微动磨损行为。从摩擦系数、磨损体积、磨痕表面形貌及氧化磨屑等方面探讨了其微动磨损机理，为飞行器结构的安全性和可靠性设计提供依据^{[17, 18]}。

飞行器结构中主要金属材料为铝合金、钛合金和钢，某些微动磨损发生在两种不同金属材料接触面，同时由于某些部位紧固件工作时工件温度高达150 ℃，本文根据实际工况，选定实验条件为室温和高温150 ℃条件下干摩擦，微动磨损实验在高精度FTM高温微动磨损试验机上完成，采用圆柱/平面接触方式^[19]。上试样钢PH13-8Mo为圆柱销状(直径d=6 mm, 长度l=16 mm, 接触面表面粗糙度Ra≤0.8)。下试样TC21钛合金为长方体(长a=20 mm，宽b=10 mm，高c=7 mm，接触面表面粗糙度Ra≤0.8)，钛合金TC21主要成分为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb。

选用两种微动磨损试验的条件：(1)载荷p=100 N，频率f=10 Hz，位移d=100 μm；(2)载荷p=100 N，频率f=10 Hz，位移d=400 μm。温度为室温和150 ℃；选用4种循环次数：(1)N=3.6×10⁴次(1 h)；(2)N=5.4×10⁴次(1.5 h)；(3)N=7.2×10⁴次(2 h)；(4)N=9.0×10⁴次(2.5 h)。每组平行实验3次。微动磨损实验的高温装置选用的是MCH氧化铝陶瓷片对下试样钛合金进行加热，通过调节电压值，将温度升至设定温度，并将温度探测点靠近微动接触表面，以减少微动表面与探测点温度的差异，稳定10 min后开始实验。采用光学显微镜(Optical microscope, OM)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)对磨痕形貌进行观察分析；用能谱仪(Energy dispersive spectrometer, EDS)定性分析磨痕氧含量的变化；用JB-5C粗糙度轮廓测试仪测量磨损量损失并观察磨痕的二维形貌。

图 1为TC21钛合金摩擦系数与微动循环次数及温度的关系曲线。为了解钛合金TC21摩擦系数与位移、温度的变化关系。在4种循环周次(1，1.5，2和2.5 h)中，选取了循环周次为2.5 h(N=9×10⁴)时，常温和150 ℃条件下，位移分别为d=100 μm和d=400 μm的摩擦系数变化趋势(图 1(a))。由图 1(a)中得知：微动的初始时期，由于钛合金接触表面的氧化膜、吸附物等的保护作用，摩擦系数较低，数个循环后，在往复相对运动作用下，表面膜受到剪切和挤压的作用被破坏和去除，两接触体直接接触，二体作用增强，表面发生塑性变形和粘着，摩擦系数迅速增加。摩擦系数达到最大值后略有降低，由于持续的材料表面加工硬化和材料表层组织发生转变，材料表面脆性增加，接触表面裂纹萌生、扩展和贯通，导致颗粒的剥落，大量颗粒的积累在表面形成第三体，二体接触向三体接触转变，减少粘着作用及参与承载。经过一定的循环后，磨屑在微动挤压过程中被碾碎和氧化，且磨屑的产生和溢出基本达到动态平衡，摩擦系数进入稳定阶段。但在d=100 μm时，常温和150 ℃条件下，摩擦点波动范围较大。在d=400 μm时，常温条件下，摩擦点波动范围较大而温度上升为150 ℃时，摩擦点波动较小，摩擦系数比较稳定。

图 1 TC21钛合金摩擦系数曲线图 Figure 1 Friction coefficient curves of TC21 titanium alloy

图 1(b)是钛合金TC21在常温和150 ℃，位移分别为d=100 μm和d=400 μm时，4种循环周次下摩擦系数值的情况。从图 1(b)中可以看出：当d=100 μm时，常温条件下，摩擦系数值随着循环周次的变化，范围为0.69~0.74；150 ℃条件下，摩擦系数值随着循环周次的变化，范围为0.73~0.79，变化幅度均较小。说明微动摩擦位移较小时，在一定温度范围内，温度对摩擦系数的影响较小。当d=400 μm时，常温条件下，摩擦系数值随着循环周次的变化，范围为0.68~0.84；150 ℃条件下，摩擦系数值随着循环周次的变化，范围为0.63~0.71。说明温度对钛合金TC21摩擦系数的影响与微动位移有关，位移较小时，温度对其摩擦系数的影响较小，位移较大时，随着温度升高到150 ℃，摩擦系数降低。

图 2显示在室温和150 ℃温度下，位移分别为d=100 μm和d=400 μm时，TC21钛合金在4种循环周次下的磨损体积。由图 2可知，在常温条件下，位移d=100 μm和d=400 μm时，磨损量随着循环周次增大而增大；温度为150 ℃时，位移为d=100 μm和d=400 μm时磨损量并没有随着循环周次增大而出现变化趋势。在循环周次为2.5 h条件下，位移d=100 μm，温度为150 ℃时，磨损量较室温降低了约67.4%；位移d=400 μm时, 温度为150 ℃，磨损量较室温降低了约86.5%。可以看出，两种位移条件下，磨损量均减小是由于随着温度升高到150 ℃，钛合金TC21与氧能形成与基体结合牢固、厚度适当的氧化膜，氧化膜具有较好的自愈能力，能较好地阻止基体金属之间的接触，从而大大降低磨损量。图 3是钛合金TC21循环周次为2.5 h，常温和150 ℃条件下，位移分别为d=100 μm和d=400 μm的钛合金磨痕轮廓图。从图 3中亦可以看出，随着温度的升高，磨痕宽度虽增大，但深度变浅，TC21合金的磨损程度随温度的升高而减小。

图 2 不同试验条件下钛合金TC21磨损量折线图 Figure 2 Wear capacity curves of TC21 titanium alloy under different conditions

图 3 TC21钛合金磨痕轮廓图 Figure 3 2D surface morphologies of TC21 titanium alloy

选取循环周次在2.5 h条件下，观察钛合金TC21在不同温度和位移条件下的微观形貌(图 4)。从图 4中可以看出，常温条件下，振幅分别为d=100 μm和d=400 μm时(图 4(a，b))，磨痕均呈现不同宽度的线状，其摩擦表面凹凸不平，存在平行于滑动方向的沟槽痕迹。接触区局部应力超过材料的塑性抗力极限，磨痕呈现明显的塑性变形，磨损区主要是由与基体紧密结合的塑性变形层和覆盖于塑变层表面的磨屑附着层共同叠加组成。在150 ℃条件下，位移分别为d=100 μm和d=400 μm时(图 4(c，d))，磨痕表面绝大多数区域被磨屑层覆盖，磨屑多为粒状，局部裸露出塑变层的表面，但平行于滑动方向的沟槽痕迹相对常温较少，局部出现平滑的磨损面，高倍形貌图可以看出细小颗粒状磨屑覆盖层，磨屑多为细碎的颗粒状，直径在0.5~2 μm之间。

图 4 TC21钛合金微动磨损区域的SEM图 Figure 4 SEM images of fretting wear area of TC21 titanium alloy

采用EDS对磨痕表面成分进行进一步分析，选取循环周次为2.5 h，位移为d=400 μm，常温和150 ℃条件下，研究钛合金TC21磨痕表面的成分情况(图 5)。由图 5可知：表面除了钛合金本身的组成成分外，还出现了Fe和O元素，Fe是从对摩擦副(PH13-8Mo钢)转移而来；O元素含量在150 ℃条件下是常温条件下的2倍，说明在高温条件下钛合金磨损面氧化程度进一步增加。由于氧化膜的存在，增加了钛合金耐磨性，这是钛合金在150 ℃条件下磨损量降低的重要原因之一。同时，结合钛合金TC21磨痕的微观形貌SEM图，可以说明TC21钛合金在常温条件下磨损机理以磨粒磨损主，并存在氧化磨损和粘着磨损，但在150 ℃下，磨损区的氧化程度增大，磨损区由于氧化膜的存在，导致耐磨性增加，所以磨损机理以氧化磨损为主，伴随着磨粒磨损和粘着磨损。

图 5 TC21合金150 ℃和常温条件下磨损区域EDS分析 Figure 5 EDS patterns of TC21 titanium alloy under room temperature and 150 ℃

(1) 温度对钛合金TC21摩擦系数的影响与微动位移有关，位移较小时，温度对其摩擦系数的影响较小，位移较大时，随着温度的升高，摩擦系数降低，摩擦点波动较小，摩擦系数比较稳定。

(2) 温度对钛合金TC21磨损量有着重要的影响作用，位移较小时，温度为150 ℃，磨损量较室温降低了约67.4%；位移较大时，温度为150 ℃，磨损量较室温降低了约86.5%。

(3) 钛合金TC21常温下磨损机理以磨粒磨损为主，并存在氧化磨损和粘着磨损，温度为150 ℃时，磨损区氧化膜增加，磨损机理以氧化磨损为主，并伴随磨粒磨损和粘着磨损。