Tribologické vlastnosti in situ kompozitů na bázi Ti-Si

Tribological Performance of Ti-Si-Based in Situ Composites

journal article in Web of Science

en

In this study, a series of Ti−Si based in situ composites was manufactured by means of a common argon arc melting technique and tribologically evaluated using a sliding ball-on-disc tester under simulated body fluid lubrication. The composite microstructure, mechanical properties and surface roughness were characterized using light and scanning electron microscopy (SEM), vertical scanning interferometry (VSI), X-ray diffraction analysis (XRD), and hardness measurements. The evolution of coefficients of friction (CsOF) and the appearance of contacting surfaces showed that two principal wear mechanisms were the mixed elastohydrodynamic lubrication (EHL), typically followed by abrasive wear. The mixed EHL was due to the combined effect of serum solution lubrication and surface irregularities, which were produced during the routine surface preparation of samples. The mixed EHL provided the absence of wear and low and stable coefficients of friction, which did not depended on phase composition, microstructure or hardness of Ti−Si based alloys. However, in most cases the change of contact geometry led to the transition from the mixed EHL to the conventional boundary lubrication, accompanied by increased and unstable friction, adhesive material transfer of metal to the ceramic counterbodies and abrasive wear. In this respect, the low wear resistance and high adhesion affinity of the titanium matrix of Ti−Si based alloys should be improved.

V této studii bylo s využitím ball-on-disk zařízení simulujícího mazání v lidském těle provedeno hodnocení tribologických vlastností několika Ti-Si in situ kompozitů vyrobených obecně známou technologií tavení argonovým obloukem. Mikrostruktura kompozitů, mechanické vlastnosti a drsnost povrchu byly popsány s využitím světelné a skenovací elektronové mikroskopie (SEM), vertikální skenovací interferometrie (VSI), rentgenové difrakční analýzy (XRD) a měření tvrdosti. Vývoj součinitele tření a vzhled kontaktní plochy ukázaly dva hlavní mechanismy opotřebení, kdy bylo smíšené elastohydrodynamické mazání (EHL) obvykle doprovázeno abrazivním opotřebením. Smíšený režim EHL byl způsoben zejména kombinací efektu použitého séra a nedokonalostmi povrchů, které vznikly v průběhu výroby vzorků. Smíšený režim EHL vedl na omezené opotřebení a velmi nízký a stabilní koeficient tření, který nezávisel na složení kompozitu, mikrostruktuře nebo tvrdosti slitin na bázi Ti-Si. Nicméně, ve většině případů, vedla změna geometrie k přechodu ze smíšeného EHL mazání na mezné mazání, doprovázené narůstajícím a nestabilním součinitelem tření, adhezivním přenosem kovových částic na keramickou kuličku (druhý kontaktní povrch) a abrazivním opotřebením. S ohledem na tento fakt by měla být vylepšena odolnost proti opotřebení titanové matrice slitin na bázi Ti-Si.

In this study, a series of Ti−Si based in situ composites was manufactured by means of a common argon arc melting technique and tribologically evaluated using a sliding ball-on-disc tester under simulated body fluid lubrication. The composite microstructure, mechanical properties and surface roughness were characterized using light and scanning electron microscopy (SEM), vertical scanning interferometry (VSI), X-ray diffraction analysis (XRD), and hardness measurements. The evolution of coefficients of friction (CsOF) and the appearance of contacting surfaces showed that two principal wear mechanisms were the mixed elastohydrodynamic lubrication (EHL), typically followed by abrasive wear. The mixed EHL was due to the combined effect of serum solution lubrication and surface irregularities, which were produced during the routine surface preparation of samples. The mixed EHL provided the absence of wear and low and stable coefficients of friction, which did not depended on phase composition, microstructure or hardness of Ti−Si based alloys. However, in most cases the change of contact geometry led to the transition from the mixed EHL to the conventional boundary lubrication, accompanied by increased and unstable friction, adhesive material transfer of metal to the ceramic counterbodies and abrasive wear. In this respect, the low wear resistance and high adhesion affinity of the titanium matrix of Ti−Si based alloys should be improved.

Titan; křemík; in situ kompozit; opotřebení; tření

Titanium; silicon; in situ composite; wear; friction

2015

08.04.2016

Taylor & Francis

1040-2004

59

2

340–351

12