鈦合金的摩擦磨損性能及其改善方法

應(yīng)揚 李磊 趙彬 賈蔚菊 李思蘭 趙永慶

摘要：鈦合金是航空航天等領(lǐng)域不可替代的重要材料，但摩擦磨損性能的不足限制了其在更廣泛工況下的使用。介紹了關(guān)于鈦合金摩擦磨損性能的傳統(tǒng)認識和新的研究進展，綜述了有關(guān)鈦合金磨損機制和摩擦磨損性能的研究成果;總結(jié)了改善鈦合金摩擦磨損性能的3類常用表面處理方法，即表面改性技術(shù)、表面合金化技術(shù)和表面涂鍍技術(shù);指出了當(dāng)前鈦合金磨損研究和性能改善方面存在的問題及提高鈦合金耐磨性的研究方向.

關(guān)鍵詞：鈦合金;摩擦磨損性能;表面處理

中圖分類號：TG 146.2+3文獻標(biāo)志碼：A

鈦合金的使用從20世紀50年代末實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)至今已有幾十年的歷史，其憑借著密度小、比強度高、抗腐蝕性能和生物相容性好等一系列優(yōu)異的特性，獲得了迅速的發(fā)展。在短時間內(nèi)顯示出強大的生命力，成為航空航天、艦船、醫(yī)療器械、石油化工以及軍事能源等領(lǐng)域不可或缺的重要材料。然而，一直以來鈦合金制品面臨的一個不可規(guī)避的問題是其摩擦磨損性能較差，在摩擦工況下使用時，鈦合金表面很容易發(fā)生摩擦損傷。

鈦合金摩擦磨損性能較差的原因主要有：（1）鈦合金表面硬度和塑性剪切抗力較低;（2）鈦合金表面加工硬化能力差;（3）鈦合金摩擦磨損過程中產(chǎn)生的磨屑很容易碎化和去除，對鈦合金基材表面不具有保護作用。

隨著鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，與鈦合金摩擦磨損性能相關(guān)的問題也越來越多，為了改善鈦合金的摩擦磨損性能，進一步擴大其應(yīng)用范圍，對其摩擦磨損機制的研究是鈦合金未來研究的重點。

1 鈦合金摩擦磨損性能的影響因素

針對鈦合金摩擦磨損性能差這一明顯不足，研究者做了大量的研究，希望能從根本上掌握鈦合金摩擦磨損性能差的原因，從而為提高鈦合金的摩擦磨損性能提供研究方向和理論支持。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，鈦合金摩擦磨損性能的影響因素除了外部條件和材料狀態(tài)外，摩擦磨損過程中產(chǎn)生的產(chǎn)物也會對材料的摩擦磨損性能產(chǎn)生一定的影響。

1.1 外部條件的影響

鈦合金摩擦磨損的外部影響因素主要指載荷、環(huán)境氣氛、對磨速度、溫度和配副材料等。

1.1.1載荷

Zhong等對Ti-20Zr-6.5A1-4V合金進行了不同載荷下的真空干摩擦性能測試。結(jié)果表明，摩擦因數(shù)隨著載荷的增大而增大，同時磨痕加深，磨損體積增加（如圖1所示）;主要磨損機制由10N下的輕微黏著磨損和嚴重磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)?0N下的嚴重塑性變形和剝層磨損;且不銹鋼球上存在一層來自Ti-20Zr-6.5A1-4V合金的轉(zhuǎn)移層，隨載荷的增大，該轉(zhuǎn)移層逐漸變平滑，且厚度增加。劉勇等對不同載荷下TC4鈦合金的磨損情況進行了測試，結(jié)果表明，隨著載荷的增大，TC4鈦合金的磨損率呈增大趨勢，可見TC4鈦合金的磨損率與其承載的載荷呈正向相關(guān)。

1.1.2環(huán)境氣氛

劉勇等對TC4鈦合金在空氣和真空中的磨損性能進行了對比測試，結(jié)果表明相同載荷下TC4鈦合金在空氣中的磨損率明顯高于其在真空中的磨損率，這說明氧化會加劇其磨損。趙威等的研究也指出，鈦合金在氮氣介質(zhì)中的磨損率和摩擦因數(shù)相比空氣介質(zhì)中的更低，這也說明氧化會加速鈦合金的磨損。

1.1.3對磨速度

Mishra研究了兩種對磨速度（0.2和0.8m·s^-1）下TC4鈦合金的磨損行為：轉(zhuǎn)速較低時摩擦因數(shù)較高，轉(zhuǎn)速較高時，摩擦因數(shù)較低;隨著摩擦過程的進行，摩擦接觸面的溫度升高，摩擦因數(shù)下降，表面剪切力減小;在磨損過程中，材料表層發(fā)生破碎和轉(zhuǎn)移。

1.1.4溫度

陸海峰等研究發(fā)現(xiàn)，TC4-DT鈦合金的摩擦因數(shù)和磨損率隨溫度的升高而減小，磨損率減小的原因是溫度升高導(dǎo)致合金表面產(chǎn)生了氧化膜，對基體起到了保護作用。隨著溫度的升高鈦合金的磨損機制由以黏著磨損、磨粒磨損為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詣儗幽p、氧化磨損為主。姚小飛等在研究TC4鈦合金與GCrl5配副的摩擦磨損性能時也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，即溫度升高可以降低TC4鈦合金的磨損率，同時磨損機制也發(fā)生了變化，在高溫時呈現(xiàn)出氧化磨損的特征。

1.1.5配副材料

摩擦配副材料的不同也會導(dǎo)致鈦合金表現(xiàn)出不同的磨損行為。Qu等研究了TC4鈦合金分別與Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo合金、440C不銹鋼和Si₃N₄陶瓷對磨時的摩擦磨損行為，發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金與Si₃N₄陶瓷配副對磨時有比與440C不銹鋼配副對磨時更高的磨損率。鈦合金的耐磨性反比于配副材料的硬度，正比于配副材料的斷裂韌性。

1.2材料狀態(tài)的影響

材料狀態(tài)的影響主要是指材料通過不同的處理之后，由于狀態(tài)不同而表現(xiàn)出不同的摩擦磨損行為，如材料的低溫處理和熱處理等。

1.2.1低溫處理

Gu等研究了低溫處理后鈦合金的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，TC4鈦合金經(jīng)過長時間低溫處理后，再進行170℃保溫4h，其摩擦因數(shù)降低，顯微硬度提高，耐磨性獲得改善。通過低溫處理，材料晶粒尺寸細化、β相減少，此外高密度位錯和孿晶的形成，可以消耗摩擦過程中的能量和阻礙裂紋的擴展，因此TC4鈦合金的耐磨性提高，磨損犁溝變淺，塑性變形程度減輕。處理前后的顯微組織圖如圖2所示.

1.2.2熱處理

孟慶武等對比了兩種熱處理狀態(tài)下TC4鈦合金的摩擦磨損性能，結(jié)果顯示TC4鈦合金經(jīng)固溶和時效處理后，其耐磨性提高，磨損失重僅為退火態(tài)的1/3左右。退火態(tài)的TC4鈦合金磨損機制以黏著磨損為主，固溶后時效處理的TC4鈦合金的磨損機制以磨粒磨損為主。王防等的研究結(jié)果也表明了通過調(diào)整熱處理溫度可以改善鈦合金的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)1 030℃熱處理后空冷的TA15鈦合金相比830℃熱處理的TA15鈦合金，磨損率大大降低。

1.3磨損產(chǎn)物的影響

磨損過程是一個比較復(fù)雜的材料損傷過程，隨著磨損過程的進行，在配副接觸面材料發(fā)生剝落和溫度升高等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生讓磨損過程變得更加復(fù)雜，同時對材料的摩擦磨損性能也會產(chǎn)生一定的影響。

1.3.1摩擦氧化物

王蘭等在研究TC4鈦合金和高速鋼對磨時發(fā)現(xiàn)在600℃時TC4鈦合金的磨損率明顯降低，這說明此時形成的摩擦層對鈦合金基體具有一定的保護作用，此摩擦層的磨屑中含有較多TiO₂，TiO等氧化物。與之相反，200-400℃時TC4鈦合金磨損率較高，且摩擦層磨屑中極少含有氧化物?？梢姾醒趸锏哪Σ翆涌梢云鸬綔p磨作用，提高了鈦合金的耐磨性。Furuichi等進行了鈦合金干摩擦磨損和有潤滑下的摩擦磨損試驗，結(jié)果表明干摩擦過程中生成的氧化物具有減磨作用，使干摩擦磨損條件下鈦合金的磨損量更低。研究結(jié)果支持了鈦合金摩擦過程中產(chǎn)生的氧化物可以對基材產(chǎn)生保護作用的這一觀點，

1.3.2摩擦熱

摩擦磨損過程中配副接觸面之間會產(chǎn)生熱量。當(dāng)載荷和速度都較低時，產(chǎn)生的熱量較少，對摩擦磨損行為影響不明顯，當(dāng)載荷和速度比較高時，產(chǎn)生的熱量會使接觸面溫度明顯升高，對后續(xù)的摩擦磨損過程產(chǎn)生影響。邱明等研究了摩擦熱對TC4鈦合金磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)高溫下在配副接觸面會形成一層疏松的氧化膜，使鈦合金的磨損加劇;另一方面，高溫使得氮滲入鈦合金次表層形成脆性的VN，也會降低TC4鈦合金的耐磨性。

從目前的研究來看，鈦合金在不同條件下的摩擦磨損機制也不同，且通常是兩種或多種磨損機制的混合。摩擦配副材料、溫度、介質(zhì)環(huán)境、熱處理狀態(tài)、表面狀況等諸多因素都會影響鈦合金的磨損機制和摩擦磨損性能，同時各個影響因素之間也會協(xié)同作用，從而對鈦合金的摩擦磨損性能產(chǎn)生更加復(fù)雜的影響。因此，對于鈦合金磨損問題，還需要進行更加深入的研究;通過分析不同條件下摩擦磨損的聯(lián)系和區(qū)別，進一步加深對鈦合金摩擦磨損問題的認識。

2鈦合金摩擦磨損性能的改善

由于摩擦磨損是材料表面的損傷，因此鈦合金摩擦磨損性能的改善主要是采用一些表面處理技術(shù)來使鈦合金表層獲得一定的耐磨性，從而確保其在磨損工況下正常使用。鈦合金通常采用的表面處理技術(shù)大致可分為表面改性技術(shù)、表面合金化技術(shù)和表面涂鍍技術(shù)。

2.1 表面改性技術(shù)

表面改性是指通過物理、化學(xué)等方法改變材料表面的物相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)等，從而提高材料的表面性能。

Chan等對Ti-35.3Nb-7.3Zr-5.7Ta合金進行了氮氣氣氛保護下的激光沖擊處理，使材料耐磨性提高，與超高分子量聚乙烯材料對磨時磨損率降低26%，同時抗腐蝕性也得到提高。Markov等通過在較高溫度下使用低能量高電流電子束照射使TC4鈦合金的摩擦磨損性能得到提高。在527℃，TC4鈦合金表層溶解了較多的氧，誘導(dǎo)表面發(fā)生相變產(chǎn)生ω相，提高了表層的力學(xué)性能，其耐磨性和未處理試樣的相比，提高50倍以上。

2.2表面合金化技術(shù)

表面合金化指使用物理或化學(xué)等方法，使添加材料進入基材表面，在表面形成一層具有保護作用的合金化層。常用的工藝有滲氮、滲碳、離子注入、熱氧化和化學(xué)熱處理等。

碳、氮是常用的滲劑，采用滲氮、滲碳等工藝可以使鈦合金獲得遠高于基體的表面硬度，其耐磨性也隨之提高。Attabi等對TC4鈦合金進行離子氮化表面處理，處理后表層維氏硬度高達1500，在與Al₂O₃球?qū)δr，摩擦因數(shù)下降。磨損形貌如圖3所示，磨痕深度變淺，材料耐磨性提高。唐光昕等采用離子轟擊滲氮技術(shù)在TC11鈦合金表面制備了以TiN和TiN₂為主的厚350-400μm的改性層，由于改性層具有較高的硬度，能夠有效抵抗磨粒磨損和黏著磨損，使TC11鈦合金表層的耐磨性獲得顯著提升。蔡文俊等還利用稀土催化滲硼技術(shù)在TC21鈦合金表面制備了維氏硬度高達3200的硬化層，使TC21鈦合金的磨損率降低到未處理試樣的2%以下。

2.3表面涂鍍技術(shù)

表面涂鍍是指通過物理或化學(xué)等方法，使添加材料在基體表面形成涂層或鍍層，該技術(shù)的特點是基材不參與涂層的形成。常用的工藝有熱噴涂、等離子噴涂、真空鍍、電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積和磁控濺射等。

姚小飛等利用電鍍硫酸銅的方法在TC4鈦合金表面制備了與基體結(jié)合良好的銅鍍層，在相同的摩擦磨損條件下，銅鍍層的磨損率遠遠小于TC4鈦合金基體的，這主要是因為摩擦過程中脫落的銅磨屑在后續(xù)摩擦過程中對基體起到了潤滑和保護作用。劉洪濤通過在鈦合金表面進行鍍鐵處理提高了鈦合金的表面硬度和耐磨性，且鍍鐵層對鈦合金的摩擦磨損性能的改善效果優(yōu)于鍍鎳層和鍍硬鉻層。林翠等采用化學(xué)鍍的方法在TC4鈦合金表面制備了一層Ni-P合金層，提高了TC4鈦合金的表面硬度和耐磨性，當(dāng)對鍍層進行600℃保溫1 h處理后，相同磨損條件下鍍層的磨損率最小，具有較佳的耐磨性能。

陳赤囡等利用激光熔覆技術(shù)在TC9鈦合金表面制備了與基體緊密結(jié)合的TiN涂層。由于高硬度TiN涂層的存在，TC9鈦合金在98和294N下的磨損率分別約為基材的1/100和1/30。

Pawlak等在鈦合金表面制備了如圖4所示的多層防護涂層，最內(nèi)層采用等離子氮化設(shè)計間隙原子硬化層，中間選擇陰極電弧沉積TiC_xN_y，層，最外層是通過磁控濺射沉積的納米復(fù)合碳基WC_1-x/C涂層。將其與AISI 52100球進行對磨，測試其磨損性能。結(jié)果顯示，處理后的試樣與原始試樣相比，磨損體積和磨痕深度大幅減小，耐磨性能提高94%以上。

鈦合金通過以上表面處理技術(shù)可以使表層耐磨性獲得較大提高，國內(nèi)外關(guān)于改善鈦合金耐磨性的研究大多集中在表面處理技術(shù)的工藝優(yōu)化方面。除此之外，通過制備鈦基復(fù)合材料也是有效改善鈦合金耐磨性能的有效手段。Choi等通過原位合成法制備了TiB+TiC顆粒增強鈦基復(fù)合材料，增強相顆?？梢杂行ё柚够瑒幽p和刮擦破裂，減小磨損，從而提高了復(fù)合材料的耐磨性。金云學(xué)等采用熔鑄法制備的TiCp/TC4復(fù)合材料也表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性能，TiC的體積分數(shù)達到12.5%時，耐磨性能提高5倍左右。Lee等采用放電等離子燒結(jié)和粉末冶金的方法，促進了C在純鈦粉中的擴散，合成了含有較多TiC硬質(zhì)相的耐磨性較好的塊狀鈦合金。

3結(jié)論

鈦合金的摩擦磨損行為受到多種因素的影響，由于摩擦磨損問題的復(fù)雜性，研究時應(yīng)注重各個影響因素之間的協(xié)同作用，同時也應(yīng)該考慮鈦合金在不同條件下磨損行為的聯(lián)系和區(qū)別。

現(xiàn)有的表面處理技術(shù)可以使鈦合金耐磨性獲得一定程度的提高，但是這些表面處理技術(shù)大都存在成本較高、能源消耗大、工藝復(fù)雜和易造成環(huán)境污染等問題，更重要的是采用這些技術(shù)制備的表面硬化層深度較淺，一般只有幾十到幾百微米，當(dāng)磨損發(fā)生在較大載荷、較長時間的情況下時，實際的使用效果欠佳。為了能使鈦合金應(yīng)用于較大載荷的工況下，鈦合金耐磨性的改善應(yīng)從以下幾個方面進行：（1）對現(xiàn)有的表面處理工藝進行優(yōu)化，探究能使材料表面硬化層深度有效增加的工藝方案;（2）通過制備復(fù)合材料、合金成分優(yōu)化等方法在鈦合金材料中引入增強相，使其摩擦磨損性能由表及里的得到改善。