汽輪機轉子在汽輪機系統中承擔著能量轉換、傳遞扭矩和支撐葉片等作用，依靠轉子與軸瓦組成的滑動軸承摩擦副實現有效潤滑和承載，保障設備穩定運行。在《中國制造2025》中，要求電力裝備制造業向智能化[1]、綠色化[2]及高效化[3]等方面發展。作為發電和動力裝備的核心部件，汽輪機轉子實現輕量化可提高汽輪機的輸出功率、可靠性和穩定性[4-6]，延長設備使用壽命，是我國突破能源動力裝備行制造業瓶頸的重要研究內容。汽輪機常見的轉子材料包括45鋼[7]、12Cr鋼[8]和3.5NiCrMoV鋼[9]等，常見軸瓦材料包括巴氏合金[10]、鈷基合金[11]和聚醚醚酮[12]等，由于轉子大質量和不平衡質量引起的離心力導致的轉子撓曲、擾動和高壓氣體腐蝕等問題嚴重影響汽輪機功能和使用壽命。
當前汽輪機轉子輕量化研究方向包括材料改進、結構優化及集成設計等。TC4鈦合金作為輕量化常用材料，具有高比強度、低密度、耐腐蝕、熱穩定性強及抗氧化性等優點[13-14]，李昌等[15]研究了TC4鈦合金板材熱處理后的顯微組織演變規律，發現其具備相互交錯的網籃組織，同時具有較高的顯微硬度。LiuMing等[16]研究了激光粉末床熔覆工藝下TC4鈦合金的鈍化膜形成速率、成分、形成機制和腐蝕性能，相比于鑄造工藝具有更優異的抗腐蝕性能。對于汽輪機轉子在高溫、高壓和氣體腐蝕的服役環境下，TC4鈦合金具備較大優勢。
TC4鈦合金材料用于汽輪機轉子，還需解決鈦合金軸頸與軸承之間的摩擦副匹配問題。關于TC4鈦合金機械性能和摩擦學性能，國內外學者也進行了諸多研究：王劍飛等[17]研究了磨屑對TC4鈦合金微動磨損行為的影響，結果顯示，磨屑呈松散的顆粒狀，多數呈現團聚狀態，清除磨屑會導致摩擦系數和系統形變量顯著下降，最大降幅分別可達63%和41%。王蘭等[18]對TC4和TC11合金的磨損性能進行了研究，發現TC4和TC11合金在25℃時抗磨損性能較差，而在600℃時則表現出優異的抗磨損性能，此時TC11合金的磨損率低于TC4合金。劉濤等[19]研究了熱處理對TC4鈦合金微觀結構和力學性能的影響，通過不同的熱處理工藝，分析了其相組成和晶粒尺寸等微觀結構的變化以及對強度和塑性等力學性能的影響。俞樹榮等[20]研究了TC4鈦合金和GCr15鋼以及Si3N4的微動磨損行為，分析了摩擦副隨載荷變化的摩擦系數和磨損機制。馬震等[21]采用激光微加工法在TC4鈦合金表面制備了自潤滑復合耐磨結構，結果發現，與未織構面相比磨損量降低了99.3%，與未熱氧化面相比磨損量降低了46.1%。尹艷麗等[22]采用研究了天然微納米蛇紋石粉體作為CD5W/40潤滑油添加劑對Ti6Al4V合金摩擦學性能的影響，在不同添加量、載荷和頻率條件下考察了和鋼配副的鈦合金的潤滑自修復行為。但對于TC4鈦合金轉子和巴氏合金軸瓦組成的新型軸承，其摩擦副摩擦學性能和磨損機理還有待揭示。
本文中分別在油潤滑和干摩擦條件下，對比研究了TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副和45鋼-巴氏合金摩擦副的摩擦學性能，探究了不同載荷和線速度對摩擦副的摩擦學性能的影響規律，分析其摩擦磨損機制，闡明了TC4鈦合金-巴氏合金新型軸承摩擦副應用的可能性，為汽輪機轉子輕量化設計提供試驗依據。
1、試驗部分
1.1試驗裝置和參數
為揭示新型軸承摩擦副的摩擦磨損機理，采用環塊摩擦磨損試驗機開展試驗。試驗對象為TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副和45鋼-巴氏合金摩擦副，后者是目前常用的汽輪機軸承摩擦副，摩擦副由金屬試塊和試環組成，其示意圖如圖1所示。
試驗條件分為干摩擦和油潤滑，其中，采用的汽輪機潤滑油牌號為L-HM46，環塊摩擦副接觸面完全浸沒在潤滑油中。試塊材質為SnSb11Cu6錫基巴氏合金，幾何尺寸長寬高為6.5mm×15.5mm×10mm，接觸面粗糙度(Ra)為0.8μm。試環材質分別為45鋼和TC4鈦合金，幾何尺寸為外徑Φ35mm×6.7mm，表面粗糙度(Ra)為0.8μm。摩擦磨損試驗機裝置如圖2所示。
環塊摩擦磨損試驗機由驅動機構、傳動機構、加載機構及摩擦磨損機構組成。驅動機構由驅動電機構成，驅動電機可提供最大1440r/min的轉速。驅動電機產生的驅動力借助2個聯軸器傳遞至試驗軸，兩聯軸器之間裝有轉速和扭矩傳感器。加載機構包括伺服步進電機、加載彈簧和加載桿，伺服步進電機由位移傳感器控制，可施加垂直方向位移，位移引起加載彈簧形變，依據胡克定律可產生相互的加載力，通過加載桿傳遞至摩擦副位置。加載力的真值借助加載彈簧上方的壓力傳感器獲取，載荷穩定后，波動范圍在1%左右。摩擦磨損機構主要由試環和試塊構成。試塊通過緊固螺栓安裝于金屬環上方的槽內，試環固定于帶有螺紋的套筒之間，之后整體借助轉軸上的螺紋孔定位，與軸緊固配合進行相對同步的旋轉運動，與試塊實現相對摩擦。摩擦副位置設置有水平方向壓力傳感器，用于采集轉軸對磨產生的切向力。所有傳感器接入數據采集卡，將采集信號傳輸至電腦，通過計算機端的DAQsensor軟件對試驗數據進行實時監測和采集。
1.2試驗方法
環塊摩擦磨損試驗的試驗方案列于表1中。
試驗載荷分別為50、100、150和200N，根據式1計算對應的接觸比壓，即為0.76、1.53、2.29和3.05MPa。
式中，p為比壓(Pa)，F為施加載荷(N)，α為修正系數0.288，d為試環直徑(m)，l為試塊長度(m)。
根據式2線速度計算公式，油潤滑條件下，試驗轉速最大為1260r/min，即線速度最大為2.31m/s，干摩擦條件時，試驗轉速最大為900r/min，即線速度最大為1.65m/s。
式中，Vm為線速度(m/s)，n為軸轉速(r/min)。
為模擬設備實際運行中的啟停及換速工況，每組試驗從0r/min開始先升速后降速，觀察轉速傳感器采集的數據，待各工況轉速穩定后，采集穩定狀態下30s數據，采樣頻率為100Hz，每個工況試驗總時長為45s，油潤滑試驗總時長為89min，干摩擦試驗總時長為53min，其中預磨損時間均為5min。為保持潤滑環境的一致性，進行油潤滑試驗時，每次試驗后更換潤滑油。進行干摩擦試驗時，使用熱成像拍攝儀實時監測摩擦副接觸溫度并進行記錄，每組試驗結束試驗臺冷卻至常溫。每組進行多次重復性試驗驗證試驗可靠性。試驗前后分別將環、塊用裝有無水乙醇的超聲波清洗機清洗15min，烘箱烘干8h。
摩擦系數為摩擦力和施加載荷之比，由式(3)計算：
式中，μ為摩擦系數，Fm為摩擦力(N)，摩擦力和施加載荷由DAQsensor軟件進行采集。試塊磨損量根據體積磨損率確定，計算方法為
式中，Ww為體積磨損率(mm3)，V為試塊磨損體積(mm3)，S為滑動距離(m)。磨損體積根據國家標準GB/T12444-2006[23]進行計算：
式中，b為磨痕平均寬度(mm)。
式中，t為試驗時間(s)。
摩擦磨損試驗結束后，采用EM-30AX掃描電子顯微鏡(SEM)對清洗后的巴氏合金試塊進行表面形貌觀察，并使用VK-X1000形狀測量激光顯微系統拍攝試塊磨損后三維形貌[24]以進行對比分析。
2、結果與分析
2.1油潤滑摩擦磨損試驗分析
2.1.1摩擦系數
根據多次試驗結果，繪制油潤滑、變載荷和轉速下45鋼-巴氏合金摩擦副的摩擦系數箱線圖，如圖3所示。同一轉速下，隨著載荷增加，45鋼摩擦副的摩擦系數先減小后保持穩定，同一速度下的摩擦系數基本不變。這是由于載荷增大，摩擦表面粗糙峰接觸面積增加，接觸應力減小，而巴氏合金中軟基體變形保持了一定的油膜強度，從而導致摩擦系數先減小后保持穩定。同一載荷下，隨著轉速升高，摩擦系數逐漸降低，并在轉速達到810r/min時，摩擦系數降至0.02后趨于穩定。這是由于隨著轉速增加，摩擦副之間逐漸形成一定厚度的油膜，摩擦副實際接觸面積逐漸減少，流體動壓潤滑效應凸顯，導致摩擦系數呈現上述規律。
相同工況下，TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副的摩擦系數箱線圖如圖4所示。隨著載荷和轉速變化，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數變化規律與45鋼摩擦副類似，不同之處在于前者摩擦系數波動范圍更大且未保持穩定。這是因為TC4鈦合金彈性模量較小，更容易發生彈性形變，且易形成氧化膜，氧化膜的磨損和形成過程實時變化，同時其導熱性相對較差，熱量傳遞較慢。從而影響摩擦副的接觸狀態，導致兩者摩擦系數變化規律產生差異。
分別將45鋼摩擦副和TC4鈦合金摩擦副的平均摩擦系數匯總，如圖5所示。可以看出，45鋼摩擦副摩擦系數隨著線速度增大呈現“浴盆曲線”，但TC4鈦合金摩擦副呈現“錐形線”，后者摩擦系數下降更陡峭。此外，載荷在50N時45鋼摩擦副摩擦系數小于TC4鈦合金摩擦副，但載荷大于100N后，后者摩擦系數小于前者，特別是載荷為200N時，后者平均摩擦系數比前者減小了94.9%。這是因為TC4鈦合金硬度較高，輕載情況下相比于45鋼在摩擦副接觸面位置產生更大的應力集中，造成表面形貌損傷，因此輕載時TC4鈦合金摩擦副摩擦系數更大。而重載時，兩者與巴氏合金中硬質相接觸面積增加，而TC4鈦合金更能抵抗塑性變形，表面完整性更好，同時摩擦熱增加，TC4鈦合金摩擦副摩擦化學反應更為活躍，氧化膜更穩定，因此重載時TC4鈦合金摩擦副摩擦系數更小。
2.1.2表面形貌分析
為了進一步揭示磨損機理，油潤滑條件下2種摩擦副表面形貌的VK-X1000照片和SEM照片分別如圖6和圖7所示。結合圖6(a)和圖7(a)可知，由于潤滑油的黏度較小，試驗前期45鋼摩擦副黏著結點的強度小于材料強度，產生輕微黏著磨損。試驗后期形成流體動壓潤滑，減小了摩擦副直接接觸磨損，使材料表面粗糙度降低，因此其表面較平整均勻，只有輕微劃痕和少量凹坑，其表面情況與摩擦系數和磨損量的試驗結果相符合。
圖6(b)和圖7(b)所示為TC4鈦合金摩擦副表面形貌的微觀照片。與45鋼相比，TC4鈦合金表面存在較明顯的劃痕和凹坑，同時存在磨粒。這是由于TC4鈦合金硬度較高，試驗中未形成流體動壓潤滑時，摩擦副接觸面存在輕微硬質相相磨，產生少量磨屑并形成輕微磨粒磨損，對摩擦副表面造成損傷，影響其摩擦系數和磨損量，與試驗結果相對應。
使用VK-X1000形狀測量激光顯微系統觀測45鋼和TC4鈦合金摩擦副的巴氏合金表面的三維照片，如圖8所示。可以看出，磨損后兩摩擦副表面粗糙度均增大，同時伴有劃傷，與圖6和圖7顯示的結果相對應。同時，TC4鈦合金摩擦副的磨痕深度和寬度相比于45鋼摩擦副均有增加，與磨損量測試結果相符合。
2.2干摩擦摩擦磨損試驗分析
2.2.1摩擦系數
根據多次試驗結果，繪制干摩擦、變載荷和轉速下45鋼-巴氏合金摩擦副的摩擦系數箱線圖，如圖9所示。同一轉速下，隨著載荷增加，45鋼摩擦副的直接接觸導致其摩擦系數較大，但摩擦系數整體變化趨勢與油潤滑條件時較為一致。這是由于摩擦副持續高溫摩擦，試塊表面出現顆粒狀磨屑，減小粗糙峰直接接觸，形成固體潤滑效果，同時增大散熱空間，減小熱量累積，從而導致摩擦系數降低。同一載荷下，隨著轉速的升高，摩擦系數呈上升趨勢，這是由于摩擦熱累積，摩擦副接觸溫度逐漸增加，摩擦副表面形貌被破壞，粗糙度增加，導致摩擦系數呈現上述規律。
相同工況下，TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副的摩擦系數箱線圖如圖10所示。隨著載荷和轉速變化，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數變化規律與45鋼摩擦副類似，不同之處在于前者摩擦系數變化范圍更小且更穩定。這是因為隨著摩擦熱的產生，接觸面溫度升高，促進前者氧化層的形成，減少了金屬間的直接接觸，而TC4鈦合金的熱穩定性又比較好，硬度高，塑性變形較小，因此摩擦系數變化趨勢較平緩。
分別將45鋼摩擦副和TC4鈦合金摩擦副的平均摩擦系數匯總，如圖11所示。可以看出，45鋼摩擦副摩擦系數隨載荷和線速度增加變化更為劇烈，而TC4鈦合金摩擦副更為穩定。此外，載荷在100N以下時，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數小于45鋼，但載荷大于150N時，后者摩擦系數小于前者。這是因為輕載時TC4鈦合金摩擦化學反應不活躍，形成的氧化膜完整性較高，同時其硬度較大，塑性變形較小，保證了摩擦接觸面的表面平整度，因此TC4鈦合金摩擦副摩擦系數更小。而重載時摩擦熱大量累積，45鋼摩擦副持續高溫運行，產生了黑色粉末狀磨屑，形成固體潤滑效果，減小了摩擦副間的直接接觸，因此重載時TC4鈦合金摩擦副摩擦系數更大。
2.2.2表面形貌分析
為了進一步揭示磨損機理，干摩擦條件下2種摩擦副的VK-X1000表面形貌照片和SEM表面形貌照片如圖12和圖13所示。結合圖12(a)和圖13(a)可知，45鋼摩擦副表面存在較明顯的犁溝狀劃痕和大片剝落，這是由于干摩擦時摩擦副直接接觸，材料累積大量熱量，加劇了粗糙峰接觸產生的黏著磨損。隨著環塊的相對轉動，黏著結點的強度和面積均增大，發生膠合磨損，導致大片材料撕裂剝落，使得表面粗糙度急劇增加，同時少量磨粒隨機附著在摩擦副兩表面，產生大量犁溝狀劃痕，導致摩擦副摩擦系數升高，磨損量增大。
圖12(b)和圖13(b)所示為TC4鈦合金摩擦副表面形貌的SEM照片，與45鋼相比，TC4鈦合金表面犁溝狀劃痕和剝落更為明顯，這是由于TC4鈦合金的硬度和強度較高，巴氏合金表面的疲勞損傷更為嚴重，而其彈性模量較低，抗彈性變形較差，表面平整度較差，產生的摩擦熱效應更為顯著，黏著磨損和磨粒磨損更嚴重。
使用VK-X1000形狀測量激光顯微系統觀測45鋼和TC4鈦合金摩擦副的巴氏合金表面形貌的三維照片，如圖14所示。可以看出，磨損后兩摩擦副的巴氏合金表面粗糙度急劇增加，伴有明顯犁溝劃痕，同時伴有磨屑堆積，與圖11和圖12顯示的結果相對應。同時TC4鈦合金摩擦副的磨痕深度和寬度相比于45鋼均有增加，與磨損量測試結果相符合。
2.3體積磨損率
根據多次試驗結果，油潤滑和干摩擦條件下的45鋼和TC4鈦合金摩擦副中巴氏合金試塊的平均體積磨損率如圖15所示。油潤滑條件下，45鋼摩擦副的體積磨損率遠小于TC4鈦合金摩擦副，45鋼-巴氏合金的體積磨損率為72.57mm3/(N·m)，TC4鈦合金-巴氏合金的體積磨損率為994.90mm3/(N·m)。干摩擦條件下，45鋼摩擦副的體積磨損率小于TC4鈦合金摩擦副，45鋼-巴氏合金的體積磨損率為753.62mm3/(N·m)，TC4鈦合金-巴氏合金的體積磨損率為2884.26mm3/(N·m)。這是由于油潤滑時，TC4鈦合金初始摩擦系數較大，干摩擦時，TC4鈦合金黏著磨損更為劇烈。因此整體而言，相同工況下，TC4鈦合金相比45鋼磨損情況更加劇烈。
綜上所述，相比于現有油潤滑軸承的45鋼-巴氏合金摩擦副，在油潤滑及輕載條件下，新型軸承的TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副摩擦學性能相近，表面形貌較為平整，粗糙度相對較小，在重載時后者摩擦學性能更為優異，但累積磨損量較大；在干摩擦及輕載時，TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副摩擦學性能更為優異，但在重載時摩擦系數相對較大，磨損量隨之增加，表面形貌遭到破壞。因此當處于油潤滑環境下工作時，TC4鈦合金-巴氏合金新型軸承基本可以替代45鋼-巴氏合金軸承。但當處于干摩擦或者極端低速重載時，需要對TC4鈦合金進行表面處理，根據實際工況選擇表面合金化[25]、表面涂層[26]和表面改性[27]等技術提高摩擦副摩擦和磨損性能。
3、結論
本文中選取了TC4鈦合金和45鋼2種材料與巴氏合金進行摩擦磨損試驗，研究了它們在油潤滑和干摩擦條件下不同工況的摩擦學性能，主要結論如下：
a.摩擦系數：油潤滑條件下，在載荷為50N時，45鋼摩擦副摩擦系數小于TC4鈦合金摩擦副；載荷≥100N時，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數更小。干摩擦條件下，在載荷≤100N時，TC4鈦合金摩擦副摩擦系數小于45鋼摩擦副；載荷≥150N時，45鋼摩擦副摩擦系數更小。
b.體積磨損率：相同工況下，TC4鈦合金-巴氏合金摩擦副的體積磨損率明顯大于45鋼-巴氏合金，油潤滑時前者是后者的13.7倍，干摩擦時為3.8倍。
c.表面形貌：油潤滑條件下，45鋼和TC4鈦合金摩擦副的表面均較為平整，存在輕微劃痕和凹坑，產生輕微黏著磨損和磨粒磨損。干摩擦條件下，45鋼和TC4鈦合金摩擦副的表面均存在明顯的犁溝狀劃痕和大片剝落，黏著磨損和磨粒磨損較為嚴重。
d.對于TC4鈦合金-巴氏合金新型軸承，油潤滑環境工作時基本可以替代45鋼-巴氏合金軸承，但在干摩擦或低速重載的極端工況時，仍須對TC4鈦合金進行表面處理，用以提高摩擦副摩擦和磨損性能。
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