大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 李瑞冬 付雪松 周文龍 陳國清

北京航空制造技術(shù)研究所 李志強(qiáng)

鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高和耐高溫等優(yōu)良性能，但也有耐磨性差、對(duì)微動(dòng)損傷敏感等缺點(diǎn)。航空結(jié)構(gòu)上使用的鈦合金零部件，很多是在微動(dòng)環(huán)境中工作，如螺栓連接、榫連接和鉚接等[1]。Ti-6Al-4V鈦合金由于其較高的比強(qiáng)度而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，然而由于Ti-6Al-4V鈦合金具有較高的表面活性，在磨損過程中易發(fā)生材料的轉(zhuǎn)移、粘著等使其表現(xiàn)出相對(duì)較弱的微動(dòng)磨損抗性[2]。航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片榫頭連接處的微動(dòng)磨損大大降低了葉片的疲勞壽命[3-4]。隨著航空工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)于航空材料的抗微動(dòng)損傷性能的要求越來越高，因此，關(guān)于微動(dòng)磨損方面的研究工作已經(jīng)愈發(fā)得到重視。

提高硬度和潤滑這兩種方式被廣泛用來改善材料的微動(dòng)磨損性能。噴丸強(qiáng)化技術(shù)以其成本低、易操作、效率高等優(yōu)點(diǎn)而成為目前航空領(lǐng)域最普遍的表面處理方法。然而，對(duì)于噴丸處理對(duì)微動(dòng)磨損的影響具體如何觀點(diǎn)尚存爭議。劉道新等[5]進(jìn)行了Ti-6Al-4V鈦合金的微動(dòng)磨損研究，結(jié)果表明噴丸處理使Ti-6Al-4V鈦合金的微動(dòng)磨損速率降低到未處理鈦合金的9%，并且噴丸后試樣的摩擦系數(shù)比未處理鈦合金的摩擦系數(shù)低50%。

王世洪等[6]對(duì)Ti-10V-2Fe-3Al進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明噴丸處理后試樣的微動(dòng)磨損量和未處理時(shí)相比增大，即噴丸處理降低了微動(dòng)磨損性能。Fridric等[7]研究了噴丸對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金微動(dòng)磨損的影響，結(jié)果表明噴丸試樣在微動(dòng)磨損初期的摩擦系數(shù)比未處理試樣要低，但磨損達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)摩擦系數(shù)基本一致，噴丸處理前后Ti-6Al-4V鈦合金的微動(dòng)磨損體積基本一致。CuNiIn涂層是一種綜合性能優(yōu)異的軟質(zhì)固體潤滑膜層，其硬度低、耐微動(dòng)磨損性能好，特別適合應(yīng)用于需要抗微動(dòng)磨損和耐高溫環(huán)境的零部件表面保護(hù)上[8]。本文嘗試用“噴丸+涂層”的復(fù)合處理方法來改善材料的微動(dòng)磨損性能。

本文研究原始態(tài)、噴丸、“噴丸+涂層”復(fù)合處理等3種Ti-6Al-4V鈦合金在完全滑移狀態(tài)下的微動(dòng)磨損行為，主要從磨痕形貌、成分和磨損體積3個(gè)方面分析噴丸和涂層表面處理工藝對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金微動(dòng)磨損過程和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料采用Ti-6Al-4V鈦合金板材，板材厚度為3 mm，熱處理狀態(tài)為“熱軋+退火”。其掃描電鏡組織照片如圖1所示，化學(xué)成分如表1所示。

分別采用噴丸處理、“噴丸+涂層”復(fù)合處理兩種工藝方案對(duì)鈦合金進(jìn)行表面改性處理，研究其對(duì)鈦合金抗微動(dòng)磨損行為和性能的影響。噴丸處理采用MP15000數(shù)控噴丸機(jī)，噴介質(zhì)為S230鑄鋼丸，噴丸強(qiáng)度為0.3mmA，覆蓋率為200%。采用等離子噴涂方法，在噴丸樣品表面上涂覆CuNiIn涂層,其截面金相照片如圖1所示，涂層厚度約為100 μm。

圖1 涂層試樣的截面金相照片F(xiàn)ig.1 Cross section metallograph of coating sample

表1 TI-6AL-4V鈦合金試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)采用SRV-IV微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)，采用球/盤摩擦副，其中球的尺寸為Φ10 mm、盤的尺寸為Φ24mm×3 mm，球?yàn)門C4鈦合金材質(zhì)。微動(dòng)磨損參數(shù)：法向載荷100 N、磨損頻率10 Hz、循環(huán)次數(shù)10000次，位移幅值為150 μm。

利用JSM-5600LV型掃描電鏡觀察磨痕微觀形貌，結(jié)合EDS技術(shù)分析微區(qū)成分；使用ZYGO Newwiew5022表面輪廓儀獲得磨損后的磨痕三維輪廓，計(jì)算磨損體積。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 磨痕形貌分析和EDS分析

圖2為原始態(tài)、噴丸態(tài)和“噴丸+涂層”表面處理等3種狀態(tài)鈦合金的微動(dòng)磨痕形貌特征。微動(dòng)磨損條件為：法向載荷100 N、磨損頻率10 Hz、循環(huán)次數(shù)10000次，位移幅值為150 μm。低倍形貌特征照片顯示，圖2（a）～圖2（c），3種試樣的微動(dòng)磨損狀態(tài)均為完全滑移，磨痕中心區(qū)域、邊緣區(qū)域均能觀察到磨屑。依據(jù)三體理論，磨屑的形成過程中首先接觸表面發(fā)生粘著及塑性變形，接觸界面發(fā)生加工硬化，材料脆性增加，微動(dòng)學(xué)白層形成，然后大顆粒剝落、碎化并伴隨著氧化，形成氧化態(tài)磨屑。然后隨著接觸界面的移動(dòng)而遷移，并隨之發(fā)生了磨粒磨損，材料表面產(chǎn)生擦傷或犁溝痕跡。

中心區(qū)域高倍形貌特征顯示，圖2（d）～（f）對(duì)應(yīng)圖2（a）～（c）中A、C、D區(qū)域的局部放大，3種樣品磨屑的形貌狀態(tài)不同。對(duì)于原始試樣，磨痕中心區(qū)域存在著不同尺寸的磨屑，大尺寸磨屑（大顆粒）、細(xì)小磨屑和壓實(shí)區(qū)同時(shí)存在，如圖2 （d）所示。EDS能譜分析（圖3（a）中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ微區(qū)，圖3（a）為圖2（a）B區(qū)域的局部放大）顯示，3種尺寸磨屑氧元素含量的原子百分比分別為18.92%、26.91%、31.60%。這表明隨著尺寸減小，磨屑氧化程度逐漸增加，即磨屑的細(xì)化與氧化同時(shí)發(fā)生。該現(xiàn)象符合磨屑的演變過程規(guī)律，氧化磨損過程在微動(dòng)初期就已經(jīng)發(fā)生，隨著磨損的繼續(xù)進(jìn)行氧化過程逐漸加深。氧化磨損是Ti-6Al-4V鈦合金在微動(dòng)磨損過程中的一個(gè)重要磨損形式。另外，磨痕中心區(qū)可觀測(cè)到黑色小平面區(qū)（Ⅳ區(qū)），如圖3（b）所示，其氧含量的原子百分比43.27%，高于細(xì)小磨屑堆積區(qū)（Ⅲ區(qū)）的氧含量，即小平面形貌區(qū)的氧化程度比磨屑堆積區(qū)略高。同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，原始試樣磨痕中存在明顯的臺(tái)階狀形貌，如圖2（d）中箭頭所指，這是層片脫落后形成的。脫層理論[9]認(rèn)為，磨損過程中的交變摩擦力使基體表面位置產(chǎn)生向基體內(nèi)部延伸的微裂紋，當(dāng)這些表面微裂紋向下擴(kuò)展和次表層的微裂紋相遇時(shí)，導(dǎo)致了層片狀脫落。這說明該條件下原始試樣在交變切應(yīng)力的作用下某些區(qū)域依然經(jīng)歷著層片脫落、大尺寸磨屑被碾碎過程，磨痕局部區(qū)域的磨損接觸方式依然是二體接觸，隨微動(dòng)進(jìn)行磨損量將會(huì)逐漸加劇。

圖2 不同處理方式下的磨痕形貌Fig.2 Micrographs of worn surface of different treatment method

圖3 原始態(tài)樣品的微動(dòng)磨痕形貌特征及EDS氧元素分析Fig.3 Micrographs of worn surface of original sample and EDS oxygen element analysis

圖2（b）和圖2（e）為噴丸處理試樣的磨痕，其形貌特征與原始試樣相似，磨痕中心區(qū)域與邊緣區(qū)域均有細(xì)小磨屑出現(xiàn)，且邊緣區(qū)域觀測(cè)到犁溝形貌。高倍形貌（圖2（e））顯示，噴丸試樣中心區(qū)域的磨屑狀態(tài)與原始試樣的不同。對(duì)于噴丸處理試樣，磨痕中心區(qū)域的磨屑呈細(xì)小顆粒狀均勻分布，未發(fā)現(xiàn)有大尺寸磨屑，如圖2（e）所示。此外，磨痕中形成了深黑色小平面，如圖3所示，EDS能譜分析顯示小平面區(qū)域含氧量極高。與材料脫層磨損所形成的新鮮表面不同，這里的小平面形貌是三體磨損中的壓實(shí)區(qū)。Godet[10]認(rèn)為磨屑的演變過程中，是不同尺寸的磨屑組成第三體層，磨損過程中參與微動(dòng)的調(diào)節(jié)。第三體包括顆粒區(qū)和壓實(shí)區(qū)兩種形貌，磨損顆粒在摩擦面上隨機(jī)分布，隨摩擦面各區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)和速度分布不同，當(dāng)部分顆粒受到剪切擠壓作用而密實(shí)在一起時(shí)，則形成壓實(shí)區(qū)（小平面形貌）[11]。由圖2（e）可知，磨痕中心區(qū)域沒有大尺寸磨屑，也沒有層片剝落現(xiàn)象，只有細(xì)小的磨屑以及小平面形貌，即磨屑聚集區(qū)與壓實(shí)區(qū)一起構(gòu)成了第三體層，在一定程度上阻礙了中心區(qū)域磨屑的繼續(xù)產(chǎn)生，中心區(qū)逐漸進(jìn)入穩(wěn)定磨損狀態(tài)。Ti-6Al-4V鈦合金經(jīng)噴丸處理后，表面產(chǎn)生加工硬化，金屬表面脆性增加，磨損過程中更易產(chǎn)生層片脫落，進(jìn)而更早形成磨屑聚集區(qū)及高氧化程度的小平面。多數(shù)情況下，第三體層的存在降低了粘著的有害作用，保護(hù)了金屬表面，減緩了磨損[12]。第三體層的形成使得磨損由二體接觸模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿w接觸，阻礙了鈦合金球與圓盤的直接接觸，一定程度上降低了磨損的進(jìn)一步進(jìn)行。

圖2（c）和圖2（f）為“干噴+涂層”處理試樣的磨痕形貌，與噴丸試樣、原始試樣不同的是，磨痕邊緣區(qū)域（平行于微動(dòng)方向）有明顯磨屑堆積現(xiàn)象。依據(jù)三體接觸理論，此時(shí)磨屑的溢出與產(chǎn)生達(dá)到平衡，接觸磨損處于較穩(wěn)定狀態(tài)。磨損中心區(qū)域，如圖2（f）所示，發(fā)現(xiàn)有大量細(xì)小磨屑及黑色小平面形貌（壓實(shí)區(qū)）存在，無大尺寸層片剝落。根據(jù)上文所述，此時(shí)磨痕中心區(qū)域形成了穩(wěn)定的第三體層，阻止了鈦合金球與鈦合金圓盤的直接接觸，從而有效地防止了鈦合金的進(jìn)一步磨損。

微動(dòng)磨損過程中，微動(dòng)初期氧化過程就已經(jīng)發(fā)生，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，氧化過程加深[13]。對(duì)原始試樣、噴丸試樣、涂層試樣的磨痕的中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的磨屑均進(jìn)行了EDS分析，測(cè)試結(jié)果如表2所示。3種狀態(tài)的樣品，其磨痕中心區(qū)域氧元素含量均高于邊緣區(qū)域，可見邊緣區(qū)域的磨屑演變過程不徹底。這是因?yàn)殡S磨損進(jìn)行，磨痕中心區(qū)域的磨屑由于受到法向力的作用不易溢出，氧化磨損程度逐漸加深，磨屑的演變較為充分。相對(duì)而言，邊緣區(qū)域磨屑較易溢出，且產(chǎn)生時(shí)間相對(duì)較晚，磨屑演變過程不充分，導(dǎo)致邊緣區(qū)域的磨屑氧含量相對(duì)較低。

“噴丸+涂層”復(fù)合處理試樣中心區(qū)、邊緣區(qū)以及基體區(qū)的EDS能譜分析圖，測(cè)試位置為圖2(c)中磨痕中心D區(qū)、邊緣E區(qū)及基體F區(qū)，其具體元素組成如表3所示。磨痕中心區(qū)域、邊緣區(qū)域均能檢測(cè)到Ti、Al、V等元素的存在，經(jīng)ZYGO Newwiew5022表面輪廓儀測(cè)定“噴丸+涂層”試樣的磨痕深度最深為45.56 μm，從圖1可以看出，涂層厚度為100 μm，涂層此時(shí)還未磨穿。這說明微動(dòng)磨損過程中Ti-6Al-4V鈦合金球與涂層表面發(fā)生了材料的轉(zhuǎn)移。另外，表3中元素含量顯示，和邊緣區(qū)相比，中心區(qū)域Cu、Ni、In等元素含量較低，而Ti、Al、V等元素含量較高。另外，中心區(qū)氧元素的原子百分比也明顯高于邊緣區(qū)域。這說明中心區(qū)域磨損較嚴(yán)重，材料的轉(zhuǎn)移也較多。這與原始試樣、噴丸試樣的結(jié)果規(guī)律一致。

表2 不同處理方式磨痕中心區(qū)域與邊緣區(qū)域氧元素含量的對(duì)比

表3 噴丸+涂層復(fù)合處理試樣磨痕中心區(qū)、邊緣區(qū)、基體區(qū)組成 %

2.2 磨損體積

圖4為3種不同處理方式下，試樣的微動(dòng)磨損體積，原始試樣：61.8（10-3mm3），噴丸試樣：66.2（10-3mm3），“噴丸+涂層”試樣：52.6（10-3mm3）。磨損體積是檢驗(yàn)材料耐磨性的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，噴丸處理一方面提高了材料的表面硬度，提高了材料的微動(dòng)磨損抗性；另一方面噴丸處理也使得材料的表面粗糙度以及脆性增加，降低了材料抵抗磨損的能力，相對(duì)原始試樣磨損體積增大?！皣娡?涂層”試樣由于形成了第三體層，阻礙了鈦合金球與鈦合金圓盤直接接觸，三體接觸階段，磨屑的產(chǎn)生及溢出基本達(dá)到平衡，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[14]。涂層的存在使得微動(dòng)磨損體積有所降低，一定程度上改善了材料的微動(dòng)磨損抗性。

圖4 不同表面改性處理后的磨損體積Fig.4 Wear volume of different treatment methods

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用噴丸、“噴丸+CuNiIn”涂層對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行表面改性處理，分析了完全滑移狀態(tài)下表面改性方式對(duì)鈦合金的微動(dòng)磨損行為和性能影響，得到以下結(jié)論：

（1）原始試樣磨痕區(qū)域沒有完全形成第三體層，依然存在二體接觸區(qū)；噴丸試樣、“噴丸+涂層”試樣磨痕區(qū)均形成了第三體層，微動(dòng)磨損處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）微動(dòng)磨損過程中，隨著磨屑碎化，氧含量增加。磨損中心區(qū)域磨損程度高于邊緣區(qū)，“噴丸+CuNiIn涂層”試樣顯示磨痕中心區(qū)域不僅氧含量高，而且中心區(qū)域發(fā)生相對(duì)較大材料轉(zhuǎn)移量。

（3）相對(duì)原始試樣，單獨(dú)噴丸處理后抗微動(dòng)磨損性能略下降，但“干噴+CuNiIn涂層”處理后抗微動(dòng)磨損性能得到改善。

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