摘要
钛合金因其密度小、比强度高、较强的耐蚀性及卓越的力学性能，被广泛应用于航空航天、船舶、军工等领域。然而，由于钛合金导热系数低、高温化学活性高、弹性模量小、变形抗力大，轧制过程中容易产生轧制黏辊、板材划伤、板材表面质量差等问题，且轧制过程中的磨损导致轧辊寿命缩短。润滑是解决该问题直接而有效的方法。但由于钛合金极差的摩擦学性质，导致传统塑性加工润滑液不能对钛合金产生高效润滑。鉴于此，本文主要通过低成本制备黑磷（BP），研究BP及BP/TiO2作为水基润滑添加剂的摩擦学性能，揭示二者减摩耐磨机制，构建协同润滑理论模型，探索水基纳米流体在钛合金冷轧过程中的润滑性能。 通过高能球磨法成功制备出BP粉末，采用液相剥离法制备的BP纳米片具有少层片状结构，在水中具有很好的稳定性；摩擦实验结果表明，BP纳米片在浓度为70mg/L时的摩擦系数（COF）和球磨损率最低，相比与纯水，分别降低了32.4%和61.1%，具有卓越的减摩抗磨效果。其润滑机理可归因于BP纳米片的片状吸附、层间低剪切以及摩擦化学反应膜。 采用水热法成功合成BP/TiO2纳米颗粒，可以观察到有少数TiO2颗粒附着在BP纳米片表面，尺寸分布均匀；利用正交实验优化复配体系，相比于纯水，BP和TiO2水基润滑添加剂的平均COF分别降低了13.2%和15.3%，而BP/TiO2复合润滑添加剂的平均摩擦系数降低了24.5%，并且球磨损率降低了59.5%。其协同润滑机理可归因于BP纳米片的层间低剪切、TiO2纳米颗粒的滚珠轴承效应的自修复作用、吸附膜以及摩擦化学反应膜。 在以上的研究基础上，将不同水基润滑添加剂配制成纳米流体，进行钛合金板材轧制实验。结果表明，随着轧制道次的增加，轧制力均逐渐增大。第一道次时，相对于无润滑和基础液润滑状态，BP/TiO2复合水基纳米流体润滑时的轧制力下降了17.5%和10.8%。轧后板材表面粗糙度达到最低为0.435μm，相对于无润滑和基础液分别下降了32.2%和26.1%。轧制过程中的磨损机理主要是通过BP/TiO2纳米颗粒在轧辊与金属摩擦表面形成一层润滑膜，有效地防止摩擦增大，极大地改善了轧制过程中的润滑性能，并提高了钛合金板材的表面质量。
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