模拟海水下316不锈钢与钛合金的摩擦学行为

模拟海水下316不锈钢与钛合金的摩擦学行为

316不锈钢、哈特罗尼c-277、东南咸丰、太阳k555、莫其克郡和ct4钛合金具有优异的耐腐蚀性、优异的耐腐蚀性、填补蚀性和耐腐蚀性。可用于石油、天然气、海洋装置的海洋环泵、电子、航空、原子能等领域。这几种合金在大气或者海水中会生成保护膜,处于钝化状态而防腐,但在摩擦作用下易于擦伤而导致钝化膜破坏,腐蚀加剧。海水环境中的摩擦学研究具有重要意义,能够为水下机器人、深海设备、海上采油平台等海洋设备的开发和利用提供支持。腐蚀磨损一般是指发生在腐蚀介质中的磨损现象,是力学因素、化学因素以及电化学因素以及它们交互作用的结果,腐蚀作用的存在使得摩擦学的研究变得复杂。国内外学者对腐蚀介质中金属材料的摩擦行为进行了大量的研究,Watson等总结了金属腐蚀磨损交互作用的研究结果,指出金属腐蚀磨损的研究重点应该是腐蚀磨损协同作用,提出测定腐蚀磨损协同作用量的手段,并对磨蚀过程中的电话学测试方法进行了总结。Diomidis等设计了新型腐蚀磨损测试设备,能够定量检测磨蚀时钝化膜的破坏与修复时间,明确腐蚀和磨损作用在金属失效中所起作用,分析了金属表面钝化膜的破坏程度以及对材料损失的影响。Stack等系统研究了Co-Cr/UHMWPE配副的腐蚀磨损行为,评价了腐蚀、磨损以及交互作用在材料损失中的作用,通过控制电极电位、载荷等因素,绘制micro-abrasion-corrosion图谱。现有绝大部分研究侧重金属-陶瓷或金属-聚合物配副,主要分析钝化金属在摩擦力作用下表面膜的破坏与修复,电化学参数的变化规律以及腐蚀磨损交互作用,而对金属-金属配副的腐蚀磨损研究较少,当异种金属配副磨蚀时,两者表面的钝化膜都可能被磨损,异种金属电化学状态的差异导致电偶腐蚀的产生,使得金属腐蚀磨损研究体系变得复杂。本文探索性研究了几种金属与316不锈钢配副的腐蚀磨损行为,探讨腐蚀介质中金属-金属摩擦配副的磨蚀行为。1磨损体积的测定316不锈钢、HastelloyC-276合金、Inconel625合金、MonelK500合金和TC4钛合金。本文研究了纯水以及不同盐度海水对合金腐蚀磨损性能的影响,海水的盐度分别为0.5%、1%、2%、3%、3.5%和4%,其中盐度为3.5%海水按照ASTMD1141-98标准配制,其余成分海水按照各自化学成分按比例配得,pH值均用0.1mol/L的NaOH溶液调节至8.2。摩擦试验参数:转速为200r/min,线速度为0.5m/s;载荷100N;试验时间60min。每次试验前,环和块试样表面用砂纸打磨至其表面粗糙度约为0.15μm,然后将试样在丙酮中超声清洗15min。通过向摩擦表面连续滴加溶液实现润滑,滴加速率为300~315滴/min(900~950mL/h)。试验后环试样和块试样的磨损量通过称量法获取,称量装置为TE214S-OCE型分析天平,精度为0.1mg,计算试样的磨损体积公式如下:其中,V为磨损体积(mm3),m0为摩擦磨损试验前的质量(mg),m1是摩擦磨损试验后的质量(mg),ρ为研究材料的密度。磨损表面的形貌利用JEM-5600LV型电子扫描显微镜(SEM)进行观察。2试验结果2.1耐磨损性能好图1和图2分别给出了4种金属材料HastelloyC-276合金、Inconel625合金、MonelK500合金和TC4钛合金在纯水和几种盐度海水中与316不锈钢对磨时的摩擦系数与磨损率,可以看出:4对摩擦副在纯水润滑条件下的摩擦系数明显大于其在海水润滑条件下的摩擦系数,并且在海水下的摩擦系数非常稳定。TC4钛合金的平均摩擦系数最小,Inconel625合金的平均摩擦系数最大。相对于纯水,海水对几种金属材料具有更好的润滑作用。HastelloyC-276合金、Inconel625合金、MonelK500合金和TC4钛合金在纯水润滑条件下的磨损量明显小于其在海水润滑条件下的磨损量,海水的腐蚀作用加速了磨损。几种材料磨损量的比较:Inconel625合金<HastelloyC-276合金<MonelK500合金<TC4钛合金,Inconel625合金和HastelloyC-276合金的耐磨损性能明显优于MonelK500合金和TC4钛合金。当与不同金属配副时,316不锈钢的磨损量表现出不同的趋势,与TC4钛合金对磨时,其在3.5%海水下的磨损量小于纯水下的磨损量,与其他3种金属配副时,其在3.5%海水下的磨损量明显大于纯水下的磨损量,这种差异由于异种金属材料之间存在的电偶腐蚀现象。2.2磨损表面特征TC4钛合金、HastelloyC-276合金、MonelK500合金和Inconel625合金与316不锈钢在海水下对磨时磨痕的SEM形貌见图3和图4,可以看出:TC4钛合金和316不锈钢对磨时,磨损表面都具有明显的粘着特征,并且有明显的平行于摩擦方向的犁沟痕迹,TC4钛合金表面的犁沟变形比316不锈钢严重。HastelloyC-276合金的磨损表面主要是裂纹和碎片脱落,而316不锈钢的表面具有明显的犁沟和裂纹,塑性变形严重。MonelK500合金与316不锈钢对磨时,磨损表面都具有明显的塑性变形,并且有明显的裂纹和碎片痕迹。Inconel625合金主要是犁沟。316不锈钢表面塑性变形严重,316不锈钢表面被刮擦和脱落严重,磨损量明显大于Inconel625合金。3结果讨论3.1极化曲线测试4种金属材料在纯水润滑条件下的磨损量明显小于其在海水润滑条件下的磨损量,这说明腐蚀磨损之间存在明显的交互作用,海水的腐蚀性能加速了磨损。腐蚀磨损交互作用的数学模型可概括为:式中:W为腐蚀磨损造成的材料总流失量,在本研究条件下为在海水润滑条件下的磨损量;Wcorr为单纯腐蚀量,可以通过腐蚀电流密度icorr得到,计算公式如下:其中v表示腐蚀速度;M表示原子量;n代表原子化合价;ρ代表金属的密度;t表示摩擦磨损时间;S代表平均接触面积。Wwear为单纯磨损量,在本节中为纯水润滑条件下的摩损量,最后可以通过公式(3)求得腐蚀磨损交互作用量△W。通过对材料在不同盐度海水中的极化曲线测试,4种材料在海水中都具有优异的耐腐蚀性能,腐蚀电流密度在0.25~11.3μA·cm-2之间,单纯腐蚀量对腐蚀磨损量的贡献极小,材料的耐腐蚀性能非常优异。表1为HastelloyC-276合金、Inconel625合金、MonelK500合金和TC4钛合金在海水润滑条件下的腐蚀磨损各部分所占的比例,单纯腐蚀量极其微小在表中未列出。腐蚀磨损交互作用量所占的比例为45%~86%,表明在海水环境下腐蚀与磨损的交互作用不可忽视。TC4钛合金和MonelK500合金的磨损量比较大,交互作用量所占的比例相对较小,而HastelloyC-276合金和Inconel625合金的磨损量比较小,交互作用量所占的比例却比较大。腐蚀和磨损之间存在相互促进的交互作用,摩擦能够减薄或者破坏钝化膜或者除去表面的腐蚀产物而暴露出新鲜的金属表面,同时海水的搅动加速了金属材料表面的腐蚀产物(金属离子)迅速离去,补充了新的腐蚀介质,使去极化剂更容易到达金属表面,从而加速了腐蚀速度。腐蚀磨损过程中,材料的流失可以认为是一个低周疲劳过程,在材料的薄弱处如晶界或者析出相粒子处引发裂纹。海水的腐蚀加速疲劳裂纹的萌生和扩展,促进磨屑脱落,从而加剧了材料的流失。3.2异种金属及其合金的腐蚀当与不同金属材料对磨时,316不锈钢的磨损量表现出不同的趋势,与TC4钛合金对磨时,其在海水下的磨损量小于纯水下的磨损量,而与HastelloyC-276合金、Inconel625合金和MonelK500合金对磨时,其在海水下的磨损量明显大于纯水下的磨损量。这可能是由磨蚀时异种金属存在的电偶腐蚀所引起的,当异种金属或合金接触时,电位较低的金属腐蚀速度加大,而电位较高的金属受到保护,这种现象就是电偶腐蚀。在腐蚀磨损过程中,摩擦使得钝化膜保护作用失效,基体金属与海水直接接触。表2为5种金属材料基本元素的标准电极电位,Ti和Fe之间的电位差为1.186V,而Ni和Fe之间的电位差为0.192V,所以316不锈钢与TC4钛合金配副时,会发生显著的电偶腐蚀。316不锈钢与TC4钛合金配副时,以下几个因素促进了电偶腐蚀:Ti和Fe之间的电位差为1.186V,巨大的电位差抑制了316不锈钢的(阴极)腐蚀,而加速了TC4钛合金(阳极)的腐蚀;海水导电性能优异;本试验体系中316不锈钢的腐蚀面积远大于TC4钛合金的腐蚀面积,小阳极(TC4钛合金)同大阴极(316不锈钢)相连,加速了电偶腐蚀。所以当与不同金属材料配副时,316不锈钢在海水中的磨损量表现出不同的趋势。4与tc4钛合金的配副对磨蚀过程的影响1)海水对4种金属材料的润滑作用明显强于纯水,海水的腐蚀作用加速了金属的磨损。Inconel625合金和HastelloyC-276合金的耐腐蚀磨损性能明显优于MonelK500合金和TC4钛合金;2)316不锈钢与Inconel625合金、Ha