引言

微動磨損普遍存在于航空航天、鐵路、醫療和核工業等重要工業領域，被稱為 “工業腫瘤”[1-2]。航空發動機是飛機的動力來源，其穩定性以及可靠性對于確保飛機的安全運行至關重要 [3-4]。任何對航空發動機造成的損害都可能嚴重影響飛行的安全性，甚至可能引發重大的經濟損失和人身傷害。尤其是航空發動機的鎳基合金葉片，作為航空發動機動力系統的關鍵組成部分，在長期運行中特別容易遭受微動損傷 [5-6], 這種損傷現象可能會逐漸積累，以致葉片的斷裂失效 [7], 從而影響葉片的完整性和發動機的安全性。因此，深入研究鎳基合金材料在微動磨損環境下的損傷機制對于維護航空飛行器的安全運行具有重大意義 [8-9]。

高雯 [10] 研究了鋯合金和 GH4169 鎳基合金在不同條件下的微動磨損性能，發現摩擦因數隨載荷增加而增加，Zr-4/Zr-4 摩擦副的摩擦因數最大，而 GH4169/N36 摩擦副的摩擦因數最小，且預氧化可提高摩擦因數。周安陽等 [11] 探究了不同磁場強度對鎳基合金 GH99 微動磨損性能的影響，研究發現，在 0~15 T 范圍內，隨磁場強度增大，材料表面顯微硬度和耐磨性能呈現先增強后減弱的規律。鄭會等 [12] 探究了在高溫高壓水環境下位移幅值對 Inconel690 合金傳熱管切向微動磨損的影響。結果表明，隨著位移幅值的增大，磨損接觸面積增大，磨損深度和磨損體積均增加，磨損加劇。米雪等 [13] 研究了 690 合金管在不同法向載荷作用下的切向微動磨損機制和損傷演變規律。結果表明，隨著法向載荷的增大，690 合金管與 405 不銹鋼塊的磨損體積增大，690 合金管主要的磨損機制為剝層和磨粒磨損。徐志彪等 [14] 研究了采用激光熔覆沉積技術制造的 Inconel 718 合金樣品在不同法向載荷和位移幅值下的微動磨損行為。研究發現，保持位移幅值恒定時，增加法向載荷會導致微動狀態從完全滑移變為混合狀態，加劇材料磨損，增加能量耗散；位移幅值的增加也導致磨損加劇；磨損區域觀察到裂紋的萌生和擴展，磨損機制主要是疲勞磨損、氧化磨損和磨粒磨損。賀繼樊等 [15] 探究了溫度和位移幅值對 Inconel 718 合金切向微動磨損的影響，發現在不同的位移幅值下，隨著試驗溫度的增高，微動磨損均向完全滑移的方向演變，微動部分滑移區的磨損機制主要為黏著磨損，且隨著溫度的增高黏著加劇，在 600 ℃時演變為混合區，對于微動混合區或滑移區，其損傷機制由較低溫度下的疲勞磨損主導演變為較高溫度下的黏著磨損和磨粒磨損主導，同時氧化磨損加劇。

Li 等 [16-17] 研究發現隨著位移幅值和循環次數的增加，Inconel 600 合金的微動磨損行為發生變化，微動模式從黏著過渡到滑移，磨損程度隨之增加，主要磨損機理包括黏著磨損和氧化磨損。Yu 等 [18] 研究了無涂層激光沖擊強化 (LSPwC) 對 GH4169 高溫合金在高溫下的微動磨損行為的影響。研究發現，LSPwC 處理和高溫均能降低磨損量，LSPwC 通過增加硬度提高耐磨性，而高溫下形成的釉層也有助于減少磨損。Yang 等 [19] 研究了超聲表面滾壓處理 (USRP) 對 GH4169 高溫合金微動疲勞性能的影響。結果表明，USRP 顯著降低表面粗糙度，提高表面顯微硬度，并在深層厚度內引入高強度的壓縮殘余應力。這些改變導致合金的微動疲勞壽命分別提高了 3.6 倍和 11 倍。壓縮殘余應力是提高合金微動疲勞壽命的主要因素。Han 等 [20] 研究了晶界工程處理對 Inconel690TT 合金微動磨損行為的影響。通過熱處理和冷軋的晶界工程處理，顯著提高了低 ΣCSL 晶界比例，但降低了合金的微動磨損抗力。研究發現，硬度、晶粒尺寸和低 ΣCSL 晶界比例均影響微動磨損性能，其中低 ΣCSL 晶界比例的影響更為顯著。晶界工程處理不利于提高材料的微動磨損抗力。

本文研究了不同法向載荷與位移幅值對鎳基合金 GH4169 微動摩擦磨損特性的影響，探究了不同法向力與位移幅值的影響下微動副的摩擦力 - 位移曲線 (Ft-D) 和隨循環次數 N 變化的摩擦因數曲線，分析了磨損區域的形貌和主要磨損機制。旨在為航空發動機葉片抗微動磨損性及防護設計提供理論參考。目前微動磨損的研究非常廣泛，然而對 GH4169 合金微動磨損的研究相對較少，因此，探究不同法向載荷與位移幅值對 GH4169 合金微動磨損特性的影響為航空發動機葉片的微動損傷預防和維護提供了理論參考。

1、試驗材料及設備

在本研究中，微動摩擦副的上試樣選取直徑為 6 mm 的 Si₃N₄陶瓷球，因 Si₃N₄陶瓷擁有優異的機械強度、化學穩定性、耐熱性和超高的環境適應性，使其在需要高性能材料的領域中扮演重要角色，如航空航天、汽車制造等。上試樣 6 mm Si₃N₄陶瓷球，其表面粗糙度 Ra=0.2 μm。GH4169 合金需電火花切割成尺寸為 30 mm×20 mm×10 mm 的塊狀試樣。所有 GH4169 試樣都采用 80、300、600、1000、1500、2000 目的砂紙對其表面在水流中手工打磨，采用十字打磨法，即每打磨完一次將磨痕旋轉 90° 再進行下一次打磨，直至在本砂紙上打磨掉上一砂紙的磨痕即可更換下一更加細膩的砂紙打磨，采用 6 種目數的砂紙打磨完成后即可用粒度為 1.5 μm 的金剛石噴霧拋光劑在 P-2T 拋光機上進行拋光，令其表面粗糙度小于 0.04 μm, 拋光好的試樣用無水乙醇超聲波清洗 5 min 以去除試樣表面殘留的拋光劑和基體磨屑。Si₃N₄陶瓷球與 GH4169 合金試樣形成球與平面的點接觸模式，試驗前，用棉花蘸取無水乙醇將裝夾好的兩試樣表面擦拭干凈，除去外來污物的影響。表 1 為上、下試樣 (Si₃N₄/GH4169) 的主要化學成分 [21], 其中 GH4169 成分數據來源于供應商。

表 1 Si₃N₄/GH4169 微動摩擦副主要化學成分 (質量分數) 單位:%

材料	C	Si	Cr	Ni	Mo	Al	Nb	Fe	Ti	Co	Si₃N₄
Si₃N₄	0.300	0.300	-	-	-	-	-	0.50	-	-	Bal.
GH4169	0.027	0.065	17.53	53.80	2.90	0.54	5.23	Bal.	0.96	0.50	-

試驗所用到的多功能微動摩擦磨損試驗機如圖 1 所示，由德源睿新科技有限公司 (成都) 研發，主要包括測控系統，可實現切向、加載等控制并準確定位，由音圈電機帶動下試樣夾具平臺作切向方向的往復移動，上試樣球跟夾具則相對靜止，加載模塊可選擇標準砝碼加載或伺服電機自動加載。砝碼加載時需要搭配固定桿，伺服加載時需要搭配過渡加載盤。可設定的微動位移幅值范圍為 2.5~300 μm, 根據試驗要求通過對音圈電機進行 PID 調節，以達到系統運動控制精度，實時的摩擦力 - 位移曲線 (Ft-D) 可在計算機端導出。

在微動磨損研究與應用中，為了有效控制磨損以延長材料服役壽命，通常需要關注法向載荷與位移幅值的影響，因為這兩者會直接影響材料的微動磨損速率和磨損行為。本研究的微動試驗參數如表 2 所示，經過多次試驗后，選取效果最佳的一組試驗結果，利用掃描電子顯微鏡 (SEM) 對試樣表面形貌進行分析；利用電子能譜儀 (EDS) 對磨損區域進行掃描即可分析磨損區域的元素成分及組成；利用白光干涉儀對試樣的三維磨損形貌進行分析。

表 2 微動試驗參數

參數	值	參數	值
法向載荷 Fn/N	10、20、30	頻率 f/Hz	10
位移幅值 D/μm	30、40、50	試驗溫度 T/℃	25±1
循環次數 N	1000	相對濕度 U	40%~60% 實驗室大氣

2、試驗結果分析

2.1 微動運行工況圖

構建一個以微動位移和法向載荷為坐標軸的微動運行狀態圖，有助于更準確地識別微動接觸面的動態響應 [22]。圖 2 所示為干態工況下 Si₃N₄/GH4169 摩擦副的微動運行狀態圖，根據磨損表面的形貌特征及微動環的演變趨勢，可將微動區域劃分為完全滑移區 (SR)、部分滑移區 (PSR) 和混合區 (MSR)[23]。當保持法向力不變時，隨著位移幅值的增大，微動模式由部分滑移 (PSR) 向完全滑移 (SR) 最后向混合滑移 (MFR) 轉變；相反，位移幅值保持不變時，隨著法向力的增大，微動模式由混合滑移區 (MFR) 逐漸向完全滑移 (SR) 轉變。

2.2 微動界面動力學響應

摩擦力 - 微動位移 (Ft-D) 滯回曲線是表征接觸界面實時運行狀態和材料響應行為的重要動態參數。圖 3 所示為不同法向載荷與位移幅值下點接觸副的 Ft-D-N 曲線。

當位移幅值為 30 μm 時，如圖 3 (a)~(c) 所示，當法向載荷為 10 N 時，Ft-D 曲線型大致呈現出橢圓形；當法向載荷為 20 N 和 30 N 時，Ft-D 曲線大致都呈現出菱形，說明在這 3 種法向載荷下的微動運行模式處于混合區。對于 40 μm 中等位移工況，如圖 3 (d)~(f) 所示，當法向載荷為 10 N 時，Ft-D 曲線型呈現出平行四邊形，即表明微動模式為完全滑移區，摩擦力處于一個相對穩定的狀態；當法向載荷為 20 N 時，Ft-D 曲線型大致呈現出直線型，微動界面處于部分滑移區；當法向載荷為 30 N 時，Ft-D 曲線型由初始階段的橢圓形演變為直線型，即表明微動界面處于混合區，這是因為當法向載荷增大時，基體與對磨部件之間的接觸壓力也隨之增大，在微動位移恒定的情況下，它們之間的相對滑動變得更加艱難。對于 50 μm 大位移工況，如圖 3 (g)~(i) 所示，當法向載荷為 10 N 時，Ft-D 曲線型大致呈現出橢圓形，則微動模式為混合區；當法向載荷為 20 N 時，Ft-D 曲線型也呈現出類橢圓形；當法向載荷增大到 30 N 時，Ft-D 曲線型由前階段的菱形轉變為細長的類平行四邊形，說明該曲線型有向直線型演變的趨勢，即微動界面的狀態由混合區逐漸向部分滑移區演變。

2.3 微動耗散能

在摩擦力 - 位移曲線圖中，曲線所圍成的面積代表摩擦力所做的功 [24-25], 即材料在微動過程中因摩擦而耗散的能量，如圖 4 所示，該能量可以用來衡量材料在微動過程中的損傷程度 [26]。單個循環的耗散能 (Ed) 計算公式為:

式中:f 為摩擦力振幅；δ₀為微動半徑；2δ* 為位移幅值；dδ 為位移幅值的變化量。

通過式 (1) 對微動磨損試驗過程中所獲得的 Ft-D 曲線進行積分計算，得到了其對應循環次數下的能量耗散值，結果如圖 4 所示。

圖 5 切向位移為 30 μm、40 μm 與 50 μm 在不同法向載荷下的摩擦因數曲線

由圖 4 (a)~(c) 可知，在相同的位移幅值下，隨著所施加的法向載荷增大，材料的耗散能也呈現增大的趨勢。當施加的法向力較小時 (Fn=10 N), 材料的微動損傷較輕，這可能是因為材料的彈性和塑性變形相互協調，減輕了磨損損傷。因此，在此工況下，微動磨損過程中的能量耗散較小，且不同循環次數之間的能量耗散差異不大。但是當法向載荷 Fn 為 20 N 和 30 N 時，由于法向載荷較大，微動磨損的初期會導致基體材料的嚴重損傷，因此初始能量耗散較大。而隨著大量磨屑的形成和堆積，隨著微動試驗的持續進行，磨屑成為 “第三體” 參與到摩擦的過程中，并且在后期試驗過程中起到一定的減磨潤滑作用，從而導致能量耗散的減少。此外，在法向載荷恒定時，將位移幅值由 30 μm 增加至 50 μm, 因微動位移的增大，增大了 GH4169 基體與 Si₃N₄陶瓷對磨球的接觸面積，微動磨損加劇導致材料損傷加重，從而導致材料的耗散能隨微動位移的增大而增大。

2.4 摩擦因數曲線

從圖 5 可以看出，各參數下微動試驗的摩擦因數均呈現出先增大后減小，最后趨于較為穩定的變化趨勢。在微動循環次數為幾次到十幾次時，此間的摩擦因數較低，約為 0.22, 說明微動磨損處于初始的磨合階段。隨后進入增長階段，由于 GH4169 基體表面受到 Si₃N₄陶瓷球的剪切和壓擠作用，導致表面膜破裂，兩者直接接觸，接觸區域出現表面黏著和塑性變形，從而使摩擦因數迅速升高。隨著微動試驗的推進，接觸表面局部區域發生顆粒剝落，剝落的顆粒在外載荷的作用下被壓碎并遷移，形成磨屑，并形成 “第三體層”, 這些磨屑在接觸區參與承載并發揮減摩作用，從而使摩擦因數有所降低，最后趨于一個較為穩定的狀態。當位移幅值 D=30 μm 時，摩擦因數并沒有隨法向載荷的增大而增大，其中 Fn=20 N 時的峰值摩擦因數最大，其值為 0.48;Fn=10 N 時的峰值摩擦因數最小，其值為 0.36。當位移幅值 D=40 μm 時，法向載荷 Fn=30 N 時的峰值摩擦因數最大，其值為 0.51; 法向載荷 Fn=10 N 和 Fn=20 N 時的峰值摩擦因數相近，分別為 0.446 和 0.439。然而當位移幅值 D=50 μm 時，摩擦因數峰值隨著法向載荷的增大而增大，峰值摩擦因數最大的為 Fn=30 N, 其值為 0.559, 相較于 Fn=10 N 時的最小峰值摩擦因數 0.30, 其增長的幅度約為 86.96%。

2.5 磨損區域形貌分析

圖 6 為鎳基合金 GH4169 在不同位移幅值與法向載荷下的磨損情況光鏡圖。由圖可知，在同一標尺下，微動位移幅值固定，隨著微動試驗的法向載荷不斷增大，試樣的磨損范圍逐漸增大；法向載荷固定，試樣的磨損范圍隨著微動位移幅值的增大而變化并不明顯。其中位移幅值為 30 μm 及法向載荷為 10 N 時的微動試樣磨損范圍最小。

圖 7 為不同法向載荷與位移幅值下的微動磨痕三維信息。由圖可知，在 3 種位移幅值下，磨痕的面積均隨著法向載荷的增大而增大，這是由于法向載荷的增大會導致接觸應力的增加，使得接觸區域的材料更容易發生塑性變形，從而增加了磨痕面積。GH4169 基體磨痕中心形成了類橢圓形的凹坑，在磨痕的邊緣部分堆積了較多的磨屑。圖 7 (a3)~(c3) 為不同法向載荷與微動位移幅值下的二維截面輪廓。在 Fn=10 N 時，當微動位移幅值由 30 μm 增加至 50 μm 時，可以看出 GH4169 基體的損傷比較輕微，磨痕的最大深度為 2.2~4.5 μm。隨著法向載荷進一步增大至 20 N 時，GH4169 基體的磨斑區域損傷有所加劇，產生的磨痕最大深度為 7.8 μm, 對應的位移幅值為 50 μm。由圖 7 (b3) 可知，當法向載荷 Fn 增加至 30 N 時，且位移幅值 D=40 μm, 產生的磨痕最大深度為 8.1 μm, 磨痕的二維截面呈現出 “V” 形。由圖 7 可知，在不同法向載荷與位移幅值下的微動磨痕三維形貌邊緣部分出現明顯的凸起現象，這些凸起是由第三體磨屑層的堆積所致，同時磨痕端部的磨屑堆積現象也較為明顯。

圖 8 為不同位移幅值與法向載荷下的鎳基合金 GH4169 磨損表面 SEM 微觀圖像。微動位移幅值為 30 μm 及法向載荷為 10 N 時，從圖 8 (a1) 磨損區域的上部可知，試驗后試樣表面有明顯的磨痕，磨損區域可以觀察到犁溝和明顯的點狀剝落現象，并存在磨屑成層現象；從圖 8 (a2) 磨損區域的中部可知，磨損區域可以觀察到犁溝、圓形小坑以及磨屑堆積現象。微動位移幅值為 30 μm 及法向載荷為 20 N 時，從圖 8 (b1) 磨損區域的下部可知，磨損區域的邊緣可以觀察到大量的磨屑堆積現象，并且磨損區域存在裂紋、犁溝以及塊狀剝落現象；從圖 8 (b2) 磨損區域的中部可知，磨痕區域的中心與邊緣部分呈現出不同的磨損特征。在磨損中心，由于承受高剪切應力，可以觀察到大量材料的剝落，以及密集的小圓形凹坑、犁溝和一些磨屑片層。微動位移幅值為 30 μm 及法向載荷為 30 N 時，從圖 8 (c1)、(c2) 磨損區域的上、下部可知，處于磨損區域的邊緣部分，可以觀察到明顯的磨屑堆積、磨屑分層現象以及存在裂紋、犁溝和鑿坑等現象。微動位移幅值為 40 μm 及法向載荷為 30 N 時，此時磨損區域處于完全磨損區，整個磨痕表面發生相對滑動，從圖 8 (d1) 磨損區域的下部，可以觀察到明顯的分層現象，并且有犁溝和大量的裂紋存在；從圖 8 (d2) 磨損區域的中部可知，在磨損區域中心可以觀察到大量的塊狀剝落物，并且有犁溝、裂紋與部分磨屑存在等現象。微動位移幅值為 50 μm 及法向載荷為 20 N 時，從圖 8 (e1)、(e2) 即磨損區域的中、上部可知，在中部的邊緣存在有明顯的磨屑堆積且分層的現象，由于磨痕中心處于高剪切應力的作用下，所以中心區域還存在有大量的剝落物，并且伴隨有犁溝和裂紋等現象；在磨損區域的上部邊緣，也可以觀察到明顯的磨屑堆積現象，且有犁溝、裂紋及少量剝落物存在的現象。微動位移幅值為 50 μm 及法向載荷為 30 N 時，從圖 8 (f1)、(f2) 磨損區域的中、上部可知，在上部邊緣可以觀察到明顯的塊狀磨屑層，且有裂紋、小坑及塊狀剝落物的存在；在磨損區域中部，有少量塊狀磨屑層存在，且有裂紋、犁溝及塊狀剝落物存在。綜上所述，其主要磨損機制為疲勞磨損和磨粒磨損。

2.6 磨痕表面元素分析

圖 9 所示為鎳基合金 GH4169 在不同法向載荷與位移幅值下的磨痕表面元素分布情況。通過 EDS 元素面分布分析，可以識別微動過程中材料轉移和氧化現象。對磨痕區域的氧 (O)、鋁 (Al)、硅 (Si)、鈮 (Nb)、鉬 (Mo)、鈦 (Ti)、鉻 (Cr)、鐵 (Fe)、鈷 (Co) 及鎳 (Ni) 進行 EDS 面掃元素分析，可以顯著地觀察到磨痕區域富集有大量的 O 元素以及 Si 元素，且 GH4169 鎳基合金基體本身的 Si 元素含量極少 (0.065%), 低于上摩擦副 Si₃N₄陶瓷球的固有配比含量 (0.300%), 由此可見磨痕區域所富集的 Si 元素大部分是微動過程中由上摩擦副 Si₃N₄陶瓷球轉移過來的，磨痕區域 O 元素的富集，則可說明在微動過程中摩擦副之間發生了氧化反應，這也表明了氧化磨損機制的存在。除此之外，從圖 8 (a)~(f) 可知在磨損區域中心 Nb 元素與 Mo 元素的含量極少，而 GH4169 基體在非磨損區域的 Nb 元素與 Mo 元素的含量卻明顯更多，這表明在微動過程中磨損區域的 Nb 元素與 Mo 元素發生了轉移，從而含量降低，Al、Ti 以及 Ni 等其余幾種元素在磨痕區域的含量并沒有發生明顯的變化。

3、結束語

本文選取典型的 3 組微動位移幅值與 3 組法向載荷探究了 GH4169 鎳基合金微動磨損特性，得到結論如下:

(1) 根據微動磨損實驗現象及表征結果可知，鎳基合金 GH4169 試樣表面的磨損損傷主要呈現為磨損初期的較大剝落塊，隨著試驗的進行，剝落磨屑進而被研磨成細小的磨屑，形成磨損區域的第三體，起到減磨作用，并且磨損區域還有犁溝、凹坑和磨屑等存在。其主要磨損機制為疲勞磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

(2) 位移幅值為 30 μm 時，隨著法向載荷的增大，GH4169 合金試樣與 Si₃N₄陶瓷球的微動運行模式由完全滑移狀態轉變為部分滑移狀態。試樣的耗散能、磨痕寬度與深度逐漸增大。

(3) 當法向載荷不變時，隨著位移幅值的增大，GH4169 合金試樣與 Si₃N₄陶瓷球的微動運行模式由完全滑移狀態轉變為部分混合狀態，且 GH4169 合金試樣的磨損損傷有所加劇。

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作者簡介

謝根牙 (1999-), 男，碩士研究生，研究領域為微動摩擦磨損。

梁忠偉 (1978-), 男，博士，教授，博士生導師，研究領域為高端裝備、機器人技術等。

※通信作者簡介：周琰 (1990-), 女，博士，講師，研究生導師，研究領域為摩擦損傷。

（注，原文標題：鎳基合金GH4169微動摩擦磨損特性研究）

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