引用本文：

　　張洪霖，王宇鵬，米凱夫，郭添鳴，張贏今.鈦合金撓性軸出現異常磨損的原因[J].機械工程材料，2021，45（7）：75-81，87.

　　Zhang H L, Wang Y P, Mi K F, et al. Causes of Abnormal Wear of Titanium Alloy Flexible Shaft, 2021, 45（7）: 75-81, 87.

　　DOI：10.11973/jxgccl202107014

　　某鉆井用鈦合金撓性軸在鉆進一段時間完鉆起鉆后，其變徑靠近插接端處出現光亮帶，通過受力分析、宏觀與微觀形貌觀察、化學成分分析、力學性能測試、有限元模擬等方法對光亮帶出現的原因進行了分析，提出了延長鈦合金撓性軸壽命的方法。結果表明：撓性軸變徑處發生微動磨損，剪切應力以及撓性軸主體部分與插接部件間的相對位移是導致微動磨損的主要原因；微動磨損導致裂紋在撓性軸變徑處萌生，在交變載荷及扭矩的作用下，裂紋擴展并造成了微動疲勞；裂紋起源為周邊均勻起源，擴展方式為穿晶擴展。采用超音速火焰噴涂技術制備涂覆層后，鈦合金的表面硬度和耐磨性能提高，這對于由微動磨損引起的周邊起源性裂紋具有抑制作用，從而延長了撓性軸的壽命。

　　1、 理化檢驗及結果

　　1.1、受力分析

　　由圖1可以看出，在裝配好的螺桿鉆具中，由于馬達總成中心線與傳動軸總成中心線不同軸，故有偏心距e的存在，撓性軸上端(轉子端)受軸向力Fy 、偏心力Fx 、撓性扭矩My 、彎矩Mz的作用，將My和Mz合并，稱為扭矩M。撓性軸下端(傳動軸端)可以簡化為固定端。

圖1 鈦合金撓性軸的受力示意

　　1.2、宏觀形貌

　　將撓性軸拆卸后用體視顯微鏡觀察印痕區域的表面形貌。由圖2(a)可以看出，撓性軸印痕區域存在寬1mm左右的磨損區，且磨損區邊緣可見周向曲折暗線，暗線不連續，局部交錯。采用超聲波與體視顯微鏡相結合的方法對印痕區域的宏觀形貌進行分析。由圖2(b)可以看出，印痕區域中出現了強超聲波信號，暗線更為明顯，說明撓性軸印痕區域中存在宏觀缺陷。

圖2 撓性軸印痕區域的宏觀形貌以及超聲波測試結果

　　將撓性軸印痕區域縱向剖切并橫向打開，觀察橫向斷口的宏觀形貌。由圖3可以看出：斷口外側邊緣可見暗色斷面，其余區域為銀灰色；超聲波信號最強烈區域的暗色斷面最深，其余部位深度較淺；暗色區呈棕黃、藍黑混雜色，同時可見反光刻面。

圖3 撓性軸印痕區域橫向斷口的整體形貌及邊緣放大形貌

　　1.3、化學成分

　　采用電感耦合等離子體發射光譜儀對撓性軸的化學成分進行分析，結果顯示，撓性軸的化學成分符合GB/T 3620.1—2016標準要求。

　　1.4、微觀形貌

　　采用掃描電鏡對印痕區域橫向斷口的微觀形貌進行觀察。由圖4可以看出：橫向斷口邊緣暗色區域磨損嚴重，可見疲勞特征；心部人為打開的斷口表面平坦，塑性變形小，韌窩非常細小。

圖4 撓性軸印痕區域橫向斷口的微觀形貌

　　采用掃描電鏡對撓性軸表面的微觀形貌進行觀察。由圖5可以看出：撓性軸表面印痕區域存在明顯的微動磨損和氧化形貌，表面加工紋路消失，存在材料黏著、變形、脫落現象，同時印痕區域邊緣存在曲折裂紋，裂紋內部填充大量磨損產物；非印痕區域可見正常的磨削條紋。

圖5 撓性軸表面印痕區域和非印痕區域的微觀形貌

　　采用能譜儀(EDS)對印痕區域心部以及邊緣裂紋內磨損產物的微區成分進行分析。由表1可以看出：撓性軸印痕區域心部含有較高含量的氧、鐵、鈦元素，來源于與撓性軸對接的鋼質接頭；裂紋內的磨損產物含有大量碳、氧、鈀元素，來源于鉆井環境。

表1 印痕區域不同位置的EDS分析結果(質量分數)

　　沿撓性軸表面印痕徑向和軸向截取金相試樣，經磨制、拋光后，采用光學顯微鏡觀察裂紋形貌，然后用克氏腐蝕劑腐蝕后，觀察裂紋附近的顯微組織。由圖6可以發現：印痕區域徑向截面中除了存在一條深約0.5mm的徑向裂紋外，其附近還存在多條細微裂紋和二次裂紋；該徑向裂紋為穿晶裂紋，裂紋附近未見富氧層；撓性軸表層組織呈帶狀變形特征。由圖7可以看出：印痕區域軸向截面表層組織為軸向變形組織；印痕區域表面較粗糙，裂紋出現在變形層內，同時可見大量二次裂紋。

圖6 撓性軸印痕區域徑向截面的裂紋形貌及附近顯微組織

圖7 撓性軸印痕區域軸向截面的裂紋形貌及附近顯微組織

　　1.5、力學性能

　　按照GB/T 228.1—2010，在撓性軸中間位置沿軸向截取拉伸試樣，在電子萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗。由表2可以看出，撓性軸的拉伸性能滿足GB/T 2965—2007標準中的要求。

表2 撓性軸的室溫拉伸性能

　　按照GB/T 4340—2009，采用維氏硬度計在撓性軸印痕區域縱剖面上測試邊緣變形區和心部的硬度。由表3可以看出，撓性軸縱剖面邊緣變形區與心部的硬度相差不大。

表3 撓性軸印痕區域縱剖面不同位置的硬度

　　按照GB/T 230—2018，采用洛氏硬度計在撓性軸中部橫截面上由表面至心部取點進行硬度測試，距表層相同位置處測3點取平均值。由測得的結果可知表層的硬度與心部差異不大。

　　2 、產生異常磨損的原因分析

　　由上述檢驗結果可知，該撓性軸的拉伸性能和硬度滿足標準要求。印痕區域表面存在明顯微動磨損痕跡，分布于整個圓周，大部分區域的裂紋擴展均勻、深度較淺，而局部區域裂紋擴展深度較深；斷口邊緣磨損嚴重，裂紋擴展末端可見疲勞特征，說明撓性軸的疲勞開裂與表面微動磨損有直接關系。在鉆井作業過程中，由撓性軸的行星運動行為產生的微動磨損導致表面裂紋的萌生，在交變載荷及扭矩的作用下，裂紋擴展并導致微動疲勞。撓性軸中裂紋萌生為均勻萌生，且裂紋擴展速率大于磨損速率。

　　對撓性軸裝配好后的整體受力情況進行模擬，采用以六面體為主的網格單元對撓性軸模型進行網格劃分，如圖8(a)所示。按照鉆井時鈦合金撓性軸彎殼體的彎角為1.25°的真實工況，將撓性軸主體部分與兩端高強度鋼部件間活動接觸部分設為有潤滑的動摩擦狀態，將軸向力Fy、扭矩M設定至上端(轉子端)螺紋處，彎角轉化為位移施加于上端(轉子端)螺紋處，撓性軸下端(傳動軸端)固定約束于螺紋表面，其位置分別為圖8(b)中的A，B，C，D位置。

圖8 撓性軸的有限元網格劃分示意及靜力學邊界條件

　　由圖9可以看出：撓性軸的最大剪切應力出現在軸下端與高強度鋼傳動軸連接處，該處也是最大應變位置；最大主應力位置出現在撓性軸上端與高強度鋼馬達轉子連接處，其兩端高強度合金鋼的退刀槽處也存在應力集中，且撓性軸上端的平均應力水平大于下端的；撓性軸的安全系數為2.0559。由此可知，該撓性軸有足夠的安全裕量，符合行業標準。經損傷及滑移計算分析發現，損傷集中在撓性軸下端，最大損傷位置在高強度鋼傳動軸與撓性軸連接變徑處，此處為潛在風險點；在鈦合金撓性軸與高強度鋼傳動軸連接處出現微動現象，此位置與現場應用中產生的光亮帶位置(印痕區域)相吻合。綜上可知，在鉆井過程中撓性軸與高強度鋼部件間的剪切應力耦合由交變載荷所產生的相對位移致使撓性軸在變徑處發生微動磨損并造成裂紋的萌生，在周期性交變載荷和扭矩的作用下裂紋擴展并導致微動疲勞。

圖9 撓性軸的有限元模擬結果

　　3 、延長鈦合金撓性軸壽命的方法

　　鈦合金撓性軸的工作環境具有高溫、腐蝕性、周期性受力等特點，且在插接緊固的連接方式下不可避免會出現微動磨損，因此提高撓性軸表面耐磨性能、防止撓性軸因微動磨損而產生疲勞裂紋成為延長該種連接方式撓性軸使用壽命的關鍵。

　　表面改性是提高關鍵部件耐磨、耐腐蝕、服役壽命與安全性的重要途徑，可賦予材料表面特殊的成分、組織結構與性能。超音速火焰噴涂是以快速加熱、快速冷卻為特點的表面防護技術。將熱噴涂涂層用于撓性軸表面改性既可保持撓性軸本體部分的低彈性模量特點，又可提高其耐磨性，同時可使撓性軸表面獲得大面積、大厚度的具有顯著穩定性的非晶合金鍍層。為研究超音速火焰噴涂技術在提高鈦合金撓性軸耐磨性能方面的效果，采用不同噴涂材料對鈦合金基體進行超音速火焰噴涂處理，通過磨損試驗對試樣的耐磨性能進行研究。

　　基體材料為α+β兩相鈦合金。噴涂粉體的組成如表4所示。其中：在A組粉體中添加了碳化鎢以提高涂覆層的硬度和耐磨性；B組粉體中除添加碳化鎢外還添加鉬和鑭元素，以使涂覆層具有耐磨減摩及自潤滑性的特性；C組粉體為對照組，添加鉬元素但不添加碳化鎢，具有自潤滑特性。

表4 不同噴涂粉體的主要成分(質量分數)

　　采用粗糙度儀對超音速火焰噴涂涂層的表面粗糙度進行測試。采用維氏硬度計測試表面硬度。按照GB/T 12444—2006，在摩擦磨損試驗機上進行干摩擦磨損試驗，在試驗中連續測試試樣所承受的摩擦力和正壓力并計算摩擦因數。采用電子天平稱取試驗前后經丙酮清洗后試樣的質量，計算磨損質量損失。

　　由表5可知，噴涂相同成分粉體后鈦合金的表面粗糙度越小，摩擦因數越低，磨損質量損失越少，且其表面硬度高于鈦合金基體的，磨損質量損失均小于基體的。噴涂A，B兩組粉體后鈦合金的表面硬度高于噴涂C組粉體的，摩擦因數、磨損質量損失均低于噴涂C組粉體的；噴涂A組粉體后鈦合金的平均摩擦因數和磨損質量損失都比噴涂B組粉體的大，這主要是由于鈷元素的潤滑性較鉬與鑭元素的潤滑性差所致。超音速火焰噴涂涂層提高了鈦合金的表面硬度和耐磨性能。材料的磨損質量損失與摩擦因數和硬度均有關，而硬度和摩擦因數取決于噴涂粉體的成分；添加碳化鎢有助于提升涂層的硬度，添加鉬元素與鑭元素有助于降低涂層的摩擦因數，從而提高耐磨性能。由此可知，超音速火焰噴涂含碳化鎢、鉬、鑭的涂層對于因微動磨損引起的周邊起源性裂紋具有抑制作用，應用該工藝可達到延長撓性軸服役壽命的目的。

表5 基體以及噴涂不同粉體后鈦合金的表面粗糙度、硬度、摩擦因數以及磨損質量損失

　　4 結 論

　　(1)撓性軸表面變徑處發生微動磨損，剪切應力以及撓性軸主體部分與插接部件間的相對位移是導致微動磨損的主要原因；微動磨損導致裂紋在撓性軸變徑處萌生,在交變載荷及扭矩的作用下，裂紋擴展并造成微動疲勞；裂紋起源為周邊均勻起源，擴展方式為穿晶擴展。

　　(2)采用超音速火焰噴涂技術在鈦合金表面制備涂覆層后，鈦合金表面的硬度和耐磨性能提高，噴涂粉體中添加碳化鎢可提高涂層硬度，添加鉬元素與鑭元素可降低摩擦因數，這對于由微動磨損引起的周邊起源性裂紋具有抑制作用，從而達到延長撓性軸服役壽命的目的。