選擇性激光熔化技術(shù)制備的Cu-10Sn合金的載流摩擦學性能

方長洋，季德惠，熊光耀，肖葉龍，2，趙火平，2，沈明學，2

(1.華東交通大學材料科學與工程學院，江西南昌 330013；2.華東交通大學載運工具與 裝備教育部重點實驗室，江西南昌 330013)

載流摩擦磨損廣泛存在于現(xiàn)代鐵路交通系統(tǒng)、電力發(fā)電系統(tǒng)、航空航天、電磁軌道炮等領(lǐng)域[1]。在弓網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)接觸線直接與受電弓摩擦接觸，將電流引入機車，為機車持續(xù)供應電力[2-5]。目前世界上廣泛應用的接觸線材料為銅錫合金和銅鎂合金，其中銅錫合金的載流性能更好[6]。根據(jù)國家鐵路標準TB/T 2809—2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》，CTSH120接觸線的錫含量為0.35%～0.70%(質(zhì)量分數(shù))，采用連續(xù)擠壓法生產(chǎn)，要求其抗拉強度大于 510 MPa，導電率大于68%(IACS)，橫向晶粒尺寸小于0.03 mm[7]。CTSH120接觸線已在鄭州鐵路局京廣線和秦沈鐵路高速(250 km/h)試驗段等取得良好的實踐效果。相比于銅鎂合金，銅錫合金接觸線制造工藝簡單，成品率高，價格相對便宜[8]，但因關(guān)鍵技術(shù)受限，我國CTSH120接觸線的抗拉強度及導電率不及國外產(chǎn)品[9]。目前，接觸線常見的生產(chǎn)方法有3種[10]：上引連鑄法、連鑄連軋法和連續(xù)擠壓法。其中連續(xù)擠壓法因其獨特的優(yōu)勢在接觸線制造中得到了廣泛的應用。但通過連續(xù)擠壓法生產(chǎn)接觸線時偶爾會在接觸線表面產(chǎn)生氣泡，對接觸線性能產(chǎn)生不利影響。

近年來，選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)發(fā)展迅速，它利用高能激光對細金屬粉末進行逐層選擇性熔化，可以制造出接近全密度的復雜金屬零件[11]，且具有更高的尺寸精度和控制均勻微觀結(jié)構(gòu)的能力，所制備的構(gòu)件具有高強度、高各向異性和低延性等優(yōu)點，成為最廣泛使用的增材制造方法[12-13]。因此，本文作者利用現(xiàn)代高精尖選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)進行接觸線的制備，并對SLM制備的材料進行載流摩擦學性能測試和評估，從而提出改善銅錫合金的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和載流性能的措施。

基于此，本文作者以SLM技術(shù)制備的Cu-10Sn合金為研究對象，研究了不同電流和載荷對Cu-10Sn合金/GCr15摩擦副載流摩擦學行為的影響；通過光學顯微鏡、納米壓痕儀等分析了SLM技術(shù)制備的Cu-10Sn合金的組織結(jié)構(gòu)及硬度等，利用三維輪廓儀、掃描電子顯微鏡以及能譜儀等比較了不同載流參數(shù)下銅錫合金的磨損情況，并分析了其載流質(zhì)量和主要的損傷機制，以期為提高銅錫合金接觸線的性能提供技術(shù)指導和理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

采用三維建模軟件SolidWorks進行三維模型的建立，將所建立的三維模型導入到Magics軟件中進行切片處理，并在3D打印機(EP-M150)的EPHatch軟件中進行3D打印參數(shù)的設(shè)置：激光功率為300 W、掃描速度為600 mm/s、層厚為0.06 mm，以獲得3D打印控制程序的源文件。在原料缸中填充好一定量的粒度為15～60 μm的Cu-10Sn合金粉末，每次掃描前通過刮刀在45鋼基體上預鋪上一層厚度為75 μm的原料粉末，經(jīng)過激光的逐層掃描，金屬粉末會熔化、凝固從而達到冶金結(jié)合的效果，最終獲得Cu-10Sn合金，其化學成分見表1。Cu-10Sn合金制備完成后，將樣品打磨拋光至表面粗糙度(Ra)為0.2 μm。在進行摩擦磨損試驗前，將試樣切成15 mm×20 mm×6 mm的小塊，用無水乙醇清洗，干燥備用。

表1 Cu-10Sn合金化學成分

載流摩擦磨損試驗在自行設(shè)計并搭建的多功能往復摩擦磨損試驗機(UMT-3，USA)上進行，示意圖如圖1(a)所示。試驗時，將上下試樣置于一個半密封腔內(nèi)，上試樣(GCr15軸承鋼滾球，直徑7.998 mm)保持靜止，下試樣(Cu-10Sn合金)作周期性往復滑動，在室溫((25±3) ℃)下進行載流摩擦磨損試驗。試驗分別施加10和30 N的法向載荷(Fn)，滑動位移幅值(L)為6 mm，往復頻率(f)為4 Hz，試驗時間為1 800 s。為了研究不同電流下的滑動載流摩擦電損傷特征，設(shè)定電流分別為0、5和10 A。每個參數(shù)下的試驗至少重復3次，以保證試驗結(jié)果的可靠性。二維力學傳感器可實時測量和記錄摩擦力、剪切力和時間等，采集到的數(shù)據(jù)用于計算摩擦因數(shù)。試驗回路示意圖如圖1(b)所示，主要由直流電源、電阻、Cu-10Sn合金/GCr15球摩擦副組成。電流傳感器和電壓傳感器可實時測量和記錄電流值和電壓值。

圖1 載流摩擦磨損試驗示意Fig.1 Schematic of current-carrying friction and wear test：(a)testing machine；(b)test circuit

摩擦磨損試驗前，將經(jīng)過打磨、拋光處理后的Cu-10Sn合金置于硝酸和去離子水1∶1的腐蝕液中進行腐蝕，清洗吹干后置于光學顯微鏡(BX53M，奧林巴斯，日本)下進行顯微組織觀察；通過維氏硬度計(HVS-1000Z，SFMIT，中國)和納米壓痕儀(NTH3，安東帕，奧地利)對其力學性能進行表征；摩擦磨損試驗后，采用三維表面輪廓儀(Contour GT-K，布魯克，美國)采集樣品磨痕的三維形貌和二維輪廓。將三維輪廓中隨機選取的5個位置的二維剖面進行積分得到平均斷面面積，再與磨痕長度相乘得到Cu-10Sn合金的磨損體積。通過掃描電子顯微鏡(SU8010，日立，日本)和X射線能譜分析儀(Xflash6160，布魯克，美國)對Cu-10Sn合金磨痕區(qū)域的微觀形貌進行觀察和元素分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 銅錫合金的組織觀察和硬度分析

利用SLM技術(shù)制備所得的Cu-10Sn合金的表面和截面形貌如圖2所示。可以看出，Cu-10Sn合金試樣表層組織呈條狀和短棒狀鑲嵌分布(見圖2(a)、(b))；截面組織呈粒狀，細小均勻，類似于等軸晶彌散分布(見圖2(c)、(d))。同時，無論是合金的表面還是截面，孔洞數(shù)量較少且細小，說明文中試驗所采用的SLM技術(shù)及參數(shù)使銅錫合金粉末能夠快速熔化并快速凝固，產(chǎn)生較大的過冷度，晶粒得以細化，得到組織均勻、結(jié)構(gòu)致密、無明顯缺陷的銅錫合金。

圖2 Cu-10Sn合金的光學顯微組織：(a)，(b)表面；(c)，(d)截面

2.2 力學性能分析

在Cu-10Sn合金試樣的表面隨機測量3個點所得的平均維氏硬度為165.0HV。在合金橫截面每隔800 μm梯度選取7個點測得的硬度分布如圖3(a)所示。經(jīng)比較可知，Cu-10Sn合金橫截面的硬度變化不大，且其表面與截面的平均維氏硬度無明顯差異，這也印證了SLM技術(shù)所制備的Cu-10Sn合金具有致密度高、組織均勻、整體力學性能一致的特點。圖3(b)所示為銅錫合金試樣截面的載荷-位移曲線。在同一加載速率和最大加載載荷條件下，相比于更靠近芯部區(qū)域的材料，近表層材料能在更小的形變條件下承受更大的載荷。這可能是SLM工藝制樣時表面與心部的冷卻速度不一致導致的。

圖3 Cu-10Sn合金的力學性能

2.3 摩擦因數(shù)

圖4所示為不同載荷條件下電流對銅錫合金/GCr15球在載流滑動接觸過程中摩擦因數(shù)的影響。由圖4(a)、(b)可以看出，2種載荷下的摩擦因數(shù)在前500個循環(huán)內(nèi)均急劇增大，為摩擦學行為中典型的磨合階段；在500個循環(huán)后，摩擦因數(shù)的變化則相對平穩(wěn)，為穩(wěn)定磨損階段。這是因為在滑動初期，摩擦副表面的粗糙度較大，實際接觸面積較小，接觸斑點較少并產(chǎn)生黏著[2]，因此需要較高的剪切力來克服；隨著摩擦過程的進行，摩擦副表面微凸峰逐漸被磨去，表面粗糙度降低，實際接觸面積增大，接觸點增加，Cu-10Sn合金/GCr15球的接觸逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定的變化趨勢。相較于10 N條件下，30 N載荷時摩擦副的摩擦因數(shù)有緩慢攀升的趨勢，但波動起伏相對較弱。

由圖4(c)可知，載荷為10 N時，電流從0 增至10 A，平均摩擦因數(shù)逐漸增大。這是由于在對摩過程中，小載荷下的摩擦接觸界面不穩(wěn)定，Cu-10Sn合金表面不斷被磨損消耗，新材質(zhì)不斷露出表面。而載荷為30 N，電流從0 增至10 A，平均摩擦因數(shù)先增大，到電流為5 A時平均摩擦因數(shù)達到最大值，隨著電流繼續(xù)增大至10 A，平均摩擦因數(shù)減小。這可能是由于較大的載荷使摩擦接觸面積變大，表面通過電流的面積隨之增大，在10 A的電流強度下產(chǎn)生的焦耳熱和摩擦熱使表面的氧化作用較強，摩擦配副中的Cu與空氣中的O結(jié)合形成了一層氧化膜，起到了一定的潤滑作用[23]，相關(guān)的磨損形貌及能譜也同樣印證了這一點，將在下文進行討論。

圖4 不同載荷下Cu-10Sn合金/GCr15球的載流摩擦因數(shù)Fig.4 Current carrying friction coefficient of Cu-10Sn alloy /GCr15 ball under different loads：(a)current carrying friction coefficient curves at 10 N；(b)current carrying friction coefficient curves at 30 N；(c) the average friction coefficient at the stable stage

2.4 磨損體積

不同載流工況下Cu-10Sn合金磨損區(qū)域的三維輪廓如圖5所示，結(jié)合對應的二維輪廓曲線，如圖6(a)所示。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，相同電流工況下，載荷越大，磨痕寬度和深度更大，即磨損更加嚴重；相同載荷下，Cu-10Sn合金的磨痕寬度和深度在5 A電流工況下均為最大值。經(jīng)計算得到不同載流參數(shù)下Cu-10Sn合金的磨損體積，如圖6(b)所示。對比發(fā)現(xiàn)，法向載荷為30 N時Cu-10Sn合金的磨損體積比10 N時的磨損體積大得多。這是因為摩擦配副間的法向載荷增加時，接觸表面有效接觸面積增加，摩擦的黏著分量增加，接觸點更容易被剪斷，機械磨損作用加劇[24-26]。另外，電流對Cu-10Sn合金材料的載流摩擦學行為產(chǎn)生了影響，具體表現(xiàn)為：無論是10 N還是30 N條件下，電流從0增至10 A，磨損體積均在5 A達到最大值；載荷10 N條件下，電流為5 A時的磨損體積甚至是電流為0 和10 A時的2倍及以上。

圖5 不同載流條件下Cu-10Sn合金磨痕的三維形貌Fig.5 Three-dimensional morphology of Cu-10Sn alloy wear marks under different current-carrying conditions：(a) 10 N-0 A； (b)10 N-5 A；(c) 10 N-10 A；(d) 30 N-0 A；(e) 30 N-5 A；(f) 30 N-10 A

圖6 不同載流參數(shù)下Cu-10Sn合金的磨損情況Fig.6 Wear of Cu-10Sn alloy with different current-carrying parameters：(a)two-dimensional profile of the wear area；(b)wear volume

2.5 接觸電阻和累積電弧能量

圖7所示為不同載流參數(shù)下摩擦副間接觸電阻的時變曲線和電弧能量。由圖7(a)可知，在摩擦初期的磨合階段接觸電阻均表現(xiàn)出顯著的下降趨勢。這是由于在磨合初期存在的劇烈磨損使摩擦副表面的接觸面積逐漸增加，在同一時間內(nèi)通過接觸面的電子數(shù)量增加[27]，接觸電阻下降；當摩擦進入穩(wěn)定磨損階段，接觸電阻也保持相對穩(wěn)定的變化趨勢。10 N載荷下因摩擦副接觸穩(wěn)定性較差致使接觸電阻的波動較大，且電流為10 A時的平均接觸電阻大小相較于電流為5 A時較小。這是因為，不論是10 N還是30 N，5 A的磨損深度和體積相較于10 A均較大(見圖6)，磨損損失嚴重導致實際接觸面積較少，抑制了電流的傳導，接觸電阻隨之增大。這與LIU等[28]報道的結(jié)果一致。而在摩擦循環(huán)的中后期，載流過程中接觸面間除了材料的去除產(chǎn)生磨屑外，大電流下的摩擦表面會出現(xiàn)黏著現(xiàn)象以及表面生成的氧化膜發(fā)生破碎等，這均會導致接觸面狀態(tài)發(fā)生變化[29-30]，致使在摩擦后期10 A電流下的接觸電阻發(fā)生波動。另外，在同一電流下，載荷10 N時的接觸電阻高于載荷30 N時的接觸電阻。這是由于在載流摩擦過程中，大載荷會使摩擦副接觸面之間的實際接觸面積增加，同一時間摩擦副間傳遞的電子增多，從而導致接觸電阻較小。

圖7 Cu-10Sn合金/GCr15摩擦副間的載流性能Fig.7 Current-carrying properties of Cu-10Sn alloy/GCr15 tribo-pairs：(a)contact resistance；(b)arc energy

2.6 磨損形貌與機制分析

圖8所示為不同載流工況下Cu-10Sn合金磨損區(qū)域的表面形貌。對比圖8(a)、圖8(d)可知，無電流條件下，載荷為10 N時磨損區(qū)域有明顯的表層剝落現(xiàn)象，載荷為30 N時磨損表面剝落更加嚴重，同時可觀察到較嚴重的層狀剝落，并伴有白色磨痕，因此在無電流條件下磨損機制主要為疲勞磨損。對比圖8(b)、圖8(e)可知，電流為5 A條件下，載荷為10 N時，磨損表面出現(xiàn)大塊電弧燒蝕區(qū)域，電流對接觸表面造成了嚴重的破壞，載荷為30 N時磨損表面僅發(fā)生大塊區(qū)域的剝落。這是因為小載荷下摩擦接觸表面不穩(wěn)定，接觸副間的電弧能量較高，且易于產(chǎn)生離線電弧，發(fā)生電弧燒蝕現(xiàn)象；而大載荷下，摩擦副間接觸較為穩(wěn)定，接觸電阻減小，電弧能量較低；兩摩擦副間有效接觸面積增加，摩擦接觸點處剪切應力增加，當剪切應力大于Cu-10Sn合金的屈服強度，接觸區(qū)微凸峰被破壞，摩擦配副表面發(fā)生塑性變形，從而出現(xiàn)了剝落、犁溝等。有關(guān)研究表明：材料的彈性模量和屈服強度隨著溫度的上升而下降[33]。從圖8(c)、圖8(f)可知，電流為10 A條件下，Cu-10Sn合金磨痕表面出現(xiàn)大片白色區(qū)域。根據(jù)磨損表面元素分析，如圖9所示，經(jīng)磨損后的Cu-10Sn合金表面主要含有Cu、Sn、O、C等元素(見圖9(a))，在磨痕中白色區(qū)域O元素分布明顯(見圖9(d)—(f))，由此可知，Cu-10Sn合金在往復運動中產(chǎn)生了氧化反應，大電流的存在加速了摩擦副接觸表面氧化膜的形成。然而由圖6(b)所示磨損體積可知，由于5 A電流下材料磨損損失嚴重，在氧化膜形成之前材料表層剝落就已發(fā)生，因此5 A電流下的Cu-10Sn合金表面的白色區(qū)域并不明顯，且O元素含量相對較低(見圖9(b)、(c))。而在10 A電流下，載荷越大，白色區(qū)域的面積越大，O元素分布明顯增多(見圖9(f))，原子百分比達到了12.1%，即在高載荷、大電流條件下的Cu-10Sn合金的磨損表面氧化作用增強，此為電化學氧化和化學氧化綜合作用的結(jié)果[34]。也正因如此，氧化膜發(fā)揮了一定的潤滑作用，從而使得其摩擦因數(shù)低于5 A下的摩擦因數(shù)。另外結(jié)合對摩球的磨損形貌(見圖8(h)、(i))及元素分布圖(見圖8(j))可知，銅元素被大量轉(zhuǎn)移并粘附于對摩球上形成黏著磨損，且電流越大黏著越嚴重，因此其主要的磨損機制除疲勞磨損外，同時還伴隨有氧化磨損和黏著磨損。

圖9 Cu10Sn 合金磨損表面元素分布特性Fig.9 Element distribution characteristics of Cu-10Sn alloy wear surface：(a)EDS，spectrogram；(b)element atomic percentage at 10 N； (c)element atomic percentage at 30 N；(d) mapping at 10 N-10 A；(e) mapping at 30 N-0 A；(f) mapping at 30 N-10 A

綜上分析，可以得出摩擦副在不同工況下的磨損機制：無電流通過時，摩擦副的磨損機制主要為疲勞磨損和輕微的黏著磨損。當施加電流后，摩擦副之間的磨損來源主要包括兩部分，一部分是摩擦副之間的摩擦帶來的機械磨損；另一部分是配副之間由于電流通過產(chǎn)生焦耳熱，引起的電化學磨損[35]，2種磨損機制相互耦合。當載荷較小時，載流磨損表面出現(xiàn)電弧燒蝕的現(xiàn)象；載荷和電流較大時，摩擦副摩擦過程中引起的磨損主要以氧化磨損和黏著磨損為主。

3 結(jié)論

(1)SLM技術(shù)制備的銅錫(Cu-10Sn)合金組織均勻、結(jié)構(gòu)致密，無明顯缺陷；合金的平均硬度為165.0HV，具有優(yōu)良的力學性能。

(2)法向載荷和電流顯著影響了載流摩擦界面的接觸狀態(tài)，進而對載流摩擦學行為產(chǎn)生影響。相同電流下，載荷較大時，對摩副間的機械摩擦的比重較大，平均摩擦因數(shù)較大，接觸電阻和電弧能量較低。相同載荷下，施加電流后，對摩副間的平均摩擦因數(shù)增大，合金的磨損體積在5 A電流下達到最大值；隨著電流的增大，對摩副間的接觸電阻減小，電弧能量稍有增加。

(3)Cu-10Sn合金與GCr15球?qū)δ?，合金表面被氧化，銅元素被轉(zhuǎn)移并粘附于對摩球上形成黏著磨損；與純機械摩擦行為相比，載流條件下銅錫合金表面的磨痕加深，黏著物、氧化物的數(shù)量明顯增加；小載荷小電流下，磨痕表面出現(xiàn)電弧燒蝕現(xiàn)象；因Cu-10Sn合金表面產(chǎn)生的氧化膜起到了一定的潤滑作用，使得摩擦因數(shù)和磨損率有所降低，減緩了材料的磨損，主要的磨損機制除疲勞磨損外，還伴隨有氧化磨損和黏著磨損。