Al-7075/TiO2复合材料的高温摩擦学行为研究

《Measurement》：Investigation of high-temperature tribological behaviour of Al-7075/TiO 2 composites

　　

研究人员研究了搅拌铸造Al-7075/TiO₂复合材料的高温干滑动行为。识别了从轻微磨损到严重粘着的温度依赖性磨损机制。开发了人工神经网络（ANN）模型以预测磨损率和摩擦系数（COF）。应用了ANN辅助的改进灰狼优化器（I-GWO）进行多目标优化。

### 论文解读：Al-7075/TiO₂复合材料的高温摩擦学行为与ANN-I-GWO优化研究

#### 研究背景与问题
金属基复合材料（MMCs）因兼具轻质金属基体与硬质陶瓷增强相的优势，在航空、汽车及结构领域应用广泛。Al-7075铝合金具有高比强度、耐腐蚀性和机械稳定性，但高温下其耐磨性显著下降。通过添加TiO₂等陶瓷颗粒可提升复合材料的高温性能，然而现有研究多集中于室温条件，对高温干滑动过程中温度、载荷、滑动速度与增强相含量间的复杂交互作用尚缺乏系统理解。此外，人工神经网络（ANN）在非线性摩擦学系统建模中的应用仍处于探索阶段，而多目标优化方法（如改进灰狼优化器I-GWO）在平衡比磨损率（SWR）与摩擦系数（COF）方面的潜力尚未被充分挖掘。因此，本研究旨在通过实验与计算相结合的方法，揭示Al-7075/TiO₂复合材料在高温干滑动条件下的磨损与摩擦机制，并利用ANN辅助的I-GWO算法识别候选工况参数组合。

#### 研究内容与意义
研究人员采用搅拌铸造法制备了不同TiO₂含量（2–10 wt%）的Al-7075/TiO₂复合材料，利用销盘式高温摩擦磨损试验机（TR-20 L-PHM800_DHM850，DUCOM，印度）在50–250℃、0.9424–2.200 m/s滑动速度、20–60 N载荷下进行干滑动实验。基于Taguchi L₂₅正交阵列设计实验，测量比磨损率（SWR）和摩擦系数（COF）。随后，构建前馈反向传播ANN模型（4–9-6–1结构用于SWR，4–10-6–1结构用于COF）作为域内插值代理，并将ANN生成的响应面与I-GWO算法耦合，进行多目标Pareto优化，识别非支配候选参数组合。该研究首次将高温干滑动实验、ANN域内插值、磨损机制解析与计算Pareto探索整合于统一框架，为高温摩擦学系统的材料设计提供了新思路，论文发表于《Measurement》。

#### 主要关键技术方法
1. **搅拌铸造制备**：在700℃纯化Al-7075基体，于650±5℃半固态下以两步搅拌（1000 rpm×2 min + 1500 rpm×5 min）将TiO₂颗粒（800目）均匀分散，浇铸至500℃模具。
2. **高温销盘摩擦实验**：采用TR-20 L-PHM800_DHM850摩擦仪（Ducom，印度），EN31钢盘（≈750 HV），LVDT测量磨损，载荷传感器记录摩擦力，三次重复取平均值。
3. **ANN代理建模**：使用MATLAB R2021a，Levenberg-Marquardt算法训练，70%训练、15%验证、15%测试，早期停止防过拟合，RMSE评估内插精度。
4. **I-GWO多目标优化**：引入维度学习捕猎（DLH）机制增强种群多样性，40个搜索代理、150次迭代，权重因子γ₁（SWR）从0到1步长0.0526变化，生成Pareto前沿。

#### 研究结果
**5.1 参数分析**
- **温度影响**：SWR在150℃以下因延展性改善而降低，超过150℃后因晶界弱化而显著上升；COF在210℃以上因粘着加剧而急剧增加。6% TiO₂为趋势转折点。
- **滑动速度影响**：SWR先增后减，在1.8 m/s附近因自润滑效应降低；COF随速度增加而下降，归因于摩擦膜形成。
- **法向载荷影响**：高载荷与低温组合降低SWR和COF，而高载荷与高温组合加剧磨损；40 N为中心值，极端载荷下SWR较低。
- **TiO₂含量影响**：TiO₂增强相显著降低SWR（载荷传递、微结构细化），但增加COF（颗粒-粗糙峰交互）。2–4% TiO₂时磨损轻微，≥8%时因团聚导致深沟槽和COF波动。

**5.2 ANN与I-GWO多目标优化**
- **优化目标**：最小化ANN估计的SWR和COF，权重因子γ₁和γ₂平衡耐久性与摩擦性能。
- **优化结果**：I-GWO识别出20组候选解。低温（50℃）、高滑动速度（1.9079–2.1225 m/s）、中等载荷（33–38.6 N）和3.31–4.35% TiO₂时，SWR从0.564降至0.440，COF稳定在0.042–0.046；高温（96–100℃）时SWR和COF均升高；低速（0.9424–1.1722 m/s）时SWR微降但COF大幅上升（0.237→0.312）。
- **Pareto前沿**：展示了SWR与COF的权衡关系，低SWR区（~0.319）对应较高COF（~0.312），低COF区（~0.042）对应较高SWR。候选解为后续实验验证提供计算指导。

**5.3 磨损表面形貌与COF行为分析**
- **低温（50–100℃）**：2–4% TiO₂时表现为轻微磨粒磨损，浅沟槽，COF稳定在0.2–0.3；≥8% TiO₂时发生团聚，形成深沟槽，COF波动至0.25–0.35。
- **中温（150–250℃）**：基体软化导致微犁削和粘着，10% TiO₂时COF达0.4–0.55；200–250℃时薄氧化膜反复剪切，产生混合磨粒-粘着磨损，COF振荡0.30–0.55。
- **极端条件（250℃, 8% TiO₂, 60 N）**：严重粘着-磨粒磨损，伴随热软化和粘塑性流动，COF最高0.40–0.55。

**5.4 局限性**
- ANN模型基于25个Taguchi设计点，仅适用于域内插值，泛化需更大数据集和交叉验证。
- I-GWO优化结果为计算估计，未经实验验证，需后续实验确认。

#### 讨论与结论总结
**讨论部分总结**：参数分析表明，温度、滑动速度、载荷和TiO₂含量通过交互作用影响SWR和COF，磨损机制随温度从轻微磨粒磨损向严重粘着-磨粒磨损转变。ANN模型在域内插值中表现良好，I-GWO生成的Pareto前沿为平衡耐磨性与摩擦性能提供了计算候选工况。但模型局限性要求进一步实验验证。

**研究结论翻译**：
a) 温度是主要影响因素，SWR和COF对热变化敏感；150℃以下含4% TiO₂的复合材料因延展性改善而SWR降低，170℃（6% TiO₂）和210℃以上出现关键转变，粘着磨损加剧。
b) 滑动速度对磨损和摩擦影响复杂：高速初始增加SWR，但随后因晶界退化和自润滑效应而降低；COF在高速下因TiO₂与温度交互而下降。
c) 法向载荷同时影响SWR和COF：高载荷一般加剧磨损，但在低温或低速下自润滑可减轻影响。
d) 增加TiO₂增强相持续改善耐磨性（实验和ANN证实），但导致COF升高，归因于颗粒-粗糙峰交互增强。
e) Pareto分析展示了ANN估计SWR与COF之间的计算权衡，提供了候选工况（如控制温度、中等TiO₂含量）作为进一步实验研究的方向。
f) 磨损机制随温度与TiO₂含量变化：低温（<100℃）和2–4% TiO₂时为轻微磨粒磨损；150–250℃时为混合磨粒-粘着磨损，COF不稳定。
g) 250℃、高载荷和≥8% TiO₂时转变为严重粘着-磨粒磨损，伴随粘塑性涂抹和颗粒-基体失效。在ANN-I-GWO分析中，控制温度和中等TiO₂含量被识别为计算上有利的候选区域，但需直接实验确认后方可推荐用于结构接头、轴承面等工程应用。