钛合金摩擦磨损及改善技术的研究进展

2020-07-04余成君

现代盐化工 2020年3期

余成君

摘要：从钛合金摩擦磨损的外部影响因素以及摩擦过程产物出发，综述了有关钛合金摩擦磨损性能与机理的研究认识，总结了当下较为常用的4类表面处理方法，即表面改性技术、表面涂镀技术、表面合金化技术以及表面复合处理技术。最后指出了当前改善技术存在的不足，并对钛合金摩擦磨损性能的研究方向作出了展望。

关键词：钛合金;摩擦磨损机理;表面处理技术

钛合金自20世纪50年代实现工业生产之后，由于其具备生物相容性、超导、储氢、形状记忆等独特功能，而被广泛应用在医疗器械、化工、航天航空、舰船等领域[1]，成为一种不可或缺的材料。一直以来，由于钛合金的低摩擦学属性，在实际工业应用中，钛合金的表面很容易发生摩擦磨损[2]，钛合金的摩擦磨损性能较差可认为有以下几个原因：（1）加工硬化率及塑性剪切抗力低。（2）摩擦过程闪温致使氧化膜脆弱易脱落。（3）表面硬度较差。钛合金应用越广泛，所产生的磨损问题越多、越复杂[3]。因此，理解并掌握钛合金在不同使用环境中的摩擦磨损机理是改善钛合金摩擦磨损性能的重要研究步骤，但是在当前关于钛合金摩擦磨损机理的有限研究中，许多解释还存在不统一的状况。因此，本研究对当前的研究状况进行了综述，并根据影响因素总结了一些常用的表面处理技术。

1 钛合金的摩擦磨损

钛合金因其优异的性能而在诸多领域得到了广泛的应用，然而，每种材料都有其优缺点。钛合金因表面硬度较低、摩擦磨損性能较差，在很多情况下并不能满足实际生产要求。针对钛合金摩擦磨损性能不足这一缺点，研究者做了大量研究，主要是为掌握钛合金摩擦磨损的机理，从而为改善钛合金的低摩擦学性能提供理论依据，钛合金的摩擦磨损形式主要有：冲蚀磨损、腐蚀磨损、粘着磨损、疲劳磨损以及微动磨损等[4]，在通常情况下，这几种形式的磨损是同时发生的，工况条件不同，磨损形式的主次也不同。

2 钛合金摩擦磨损的影响因素

2.1 外部条件的影响

因钛合金的塑性剪切抗力及加工硬化率较低，实际服役过程中，影响钛合金摩擦磨损性能的因素主要有载荷、位移幅值、温度、环境介质、对磨材料等。

2.1.1 载荷

在实际工况使用中，钛合金所能承载的质量大小与所产生的磨损程度是重要的使用指标。因此，弄清楚载荷与钛合金磨损率的关系，显得尤为必要。胡林泉等[5]对TC4钛合金进行了在不同载荷（130 g，230 g，330 g）下的干摩擦试验。结果表明，摩擦因数随着载荷的增大而增大，同时，磨痕将更宽、更深，磨损体积增加，磨损更加严重。其主要磨损机制为磨粒磨损以及少量的黏着磨损，并伴有一定程度的有氧化磨损。景鹏飞等[6]在不同载荷下对TC4钛合金的磨损体积与磨损率进行了测试，结果表明，随着载荷的增加，磨损体积与磨损率都在不同程度地增大。王兰[7]对TC4钛合金与GCr15对磨的研究表明，在25～200 ℃下，TC4钛合金的磨损率与载荷几乎成线性关系。可见，TC4钛合金的磨损率随所承载的法向载荷增大而变大。

2.1.2 位移幅值

在航空航天、海洋船舶等领域，钛合金微动磨损造成的损失难以估量，而位移幅值对其有着较大的影响。景鹏飞等[6]在不同位移幅值下对TC4钛合金进行了摩擦磨损测试，结果表明，小位移幅值下，TC4钛合金的磨损率明显低于大位移幅值下的磨损率。郭薇等[8]也指出位移幅值与摩擦系数的关系，随着位移幅值的增大，摩擦系数迅速增大，当到达100 μm时，摩擦系数达到最大，之后摩擦系数又逐渐减少。这是由于不同的位移幅值将导致合金表面产生形貌差异，当位移幅值增大时，磨屑颗粒变小，形状由块状向球状转变。但随着位移幅值的进一步增大，球状的颗粒又由于摩擦热的影响而黏结成膜状，这一结构的形成，增大了微动摩擦系数，此外，当位移幅值增大时，钛合金表面会发生较严重的氧化，并伴随氮化物的形成。

2.1.3 温度

陆海峰等[9]以TC4-DT钛合金作为研究对象发现，随着温度的升高，TC4-DT钛合金的摩擦系数和磨损率都不断降低，下降的原因可认为是温度升高，氧元素质量浓度不断增大，合金表面形成一层氧化薄膜，这层薄膜在一定程度上减轻了磨损。随着温度的升高，TC4-DT钛合金的磨损机制则由以粘着磨损、磨粒磨损为主转变为以剥层磨损、氧化磨损为主。谢小飞等[10]在研究温度对TC4钛合金摩擦磨损性能的影响时，也发现从室温至600℃范围内，TC4钛合金的磨损量、平均摩擦系数随着温度的升高而减小，与低温时相比，高温时产生了氧化磨损。研究结果表明磨损量、平均摩擦系数都与温度成负相关的关系。

2.1.4 环境介质

钛合金并不只是在大气环境下使用，也会在一些苛刻环境下作业，例如真空、海水以及其他气体氛围。因此，分析不同环境介质对钛合金摩擦磨损性能的影响有着重要意义。刘勇等[11]通过分析TC4钛合金在真空以及空气中的磨损率，发现在载荷和滑移速度等外界条件相同，TC4钛合金在空气中的磨损率明显大于真空中的磨损率。徐勇利等[12]在分析TA11钛合金分别在氩气和空气环境中的应用指出，外部因素使表层氧化膜破碎，产生大量磨屑，会导致在空气环境中的磨损率迅速上升且远大于在氩气中的磨损率。赵威等[13]也指出，氮气氛围会对钛合金具有一定的减磨作用，氧化会在一定程度上增大钛合金的磨损率。李新星[14]研究发现，在模拟海水、纯水、空气3种介质中，磨损率依次降低。由此表明，在不同的环境介质中钛合金有不同的耐磨性，环境介质对于钛合金的摩擦磨损有着显著的影响。

2.1.5 对磨材料

对磨材料也会对钛合金的摩擦磨损产生重要影响。张忠杰[15]使TC4钛合金在相同载荷、频率、深冷处理时间下分别与ZrO2陶瓷球、Si3N4陶瓷球对磨，发现硬度更大的Si3N4陶瓷球摩擦系数更大，磨损更严重。ZHANG等[16]在室温下分别用3种不同硬度等级的AISI 52100钢与钛合金进行对磨，在滑移速度相同的条件下，硬度更高的对磨材料会导致钛合金的磨损情况更严重，钛合金的磨损率与对磨材料的硬度呈正相关的关系，可能是因为硬度更高的对磨材料更容易破坏钛合金基体的保护膜，使裸露的基体直接作用于磨球。

2.2 摩擦产物的影响

摩擦磨损的过程是一个复杂的材料表层损伤过程，在该过程中产生的摩擦氧化物以及温度升高的现象，也会对钛合金的耐磨性能产生重要影响。

2.2.1 摩擦热

在与对磨材料对磨的过程中，不可避免地会产生热量。当转速较低，所产生的摩擦热很少时，对钛合金的摩擦磨损性能影响并不明显，但当转速较高时，产生较多的热量使钛合金的磨损机理复杂化。邱勇等[17]研究摩擦热对TC4钛合金耐磨性的影响时指出，摩擦温度升高到550～600 ℃时，存在于空气中的氧、氮元素极易渗入合金表层，形成Ti和V的氧化物，使其耐磨性下降。同时，渗氮而形成的氮化物VN具有较大脆性[18]，使得Ti6Al4V的次表层出现裂纹，从而降低了耐磨性。另一方面，当摩擦温度达到800 ℃时，钛合金的磨损率反而降低。这表明钛合金并非在所有温度下都具有较差的耐磨性，有利于促进钛合金在高温服役下的应用研究。

2.2.2 摩擦氧化物

摩擦氧化物可认为是在摩擦磨损的过程中，由于摩擦热或环境温度的影响，金属的氧化加剧而形成的产物。传统观点认为，这是导致钛合金耐磨性低的原因[19-20]。但REN等[21]在研究钛碳化硅（Ti3SiC2）的摩擦学性能时发现，钛合金与钛碳化硅对磨时形成的氧化物薄膜可有效降低鈦合金的磨损率。王兰等[22]在研究摩擦层对TC4钛合金的摩擦磨损影响时指出，在摩擦过程中形成的TiO2，TiO产物，使得TC4钛合金的磨损率明显下降。研究结果表明，摩擦磨损过程中生成的氧化物可以使合金的磨损率降低。

从当前研究来看，在不同条件下，钛合金的摩擦磨损机理也并不相同。通常是几种磨损机制的组合，对磨材料、温度、位移幅值、滑移速度、摩擦产物等都会影响钛合金的摩擦磨损机制，同时，不同影响因素之间又相互影响。因此，对于钛合金的摩擦磨损机理还需要做进一步的研究，分析不同影响因素之间的联系与区别，加深对钛合金摩擦磨损的认识。

3 钛合金摩擦磨损性能的改善

因摩擦磨损是金属表面的损伤，所以，钛合金摩擦磨损性能的改善主要通过表面处理技术实现，以促进在磨损工况下的使用。钛合金常见的表面处理技术为：表面改性技术、表面涂镀技术、表面合金化技术、表面复合强化处理技术等等。这些技术主要是从物理或从化学途径，乃至两种途径结合，进行基体表面组织结构、化学成分等的改变，以提高钛合金的摩擦磨损性能。

3.1 表面改性技术

表面改性技术是采用化学、物理的方法改变材料表面的化学成分、组织结构、应力状态等，以改变材料的表面性能。常见的有3束改性（激光束、离子束、电子束）等。

李嘉宁[23]通过在TC4钛合金表面激光熔覆Ti-Al的金属间化合物和陶瓷复合粉末，形成的熔覆层极大地提高了钛合金的耐磨性与显微硬度。刘丹等[24]在TC4钛合金的表面熔覆TiB2，TiC与Ni的混合粉末，制备了均匀致密的混合涂层，之后分别与45号圆钢进行摩擦磨损测试，结果表明，熔覆层的显微硬度较基材提高了约2.5倍，磨损量仅为基材的3.5%。杨慧[25]在TC4钛合金的表面注入碳离子，在基体表面形成一层无序膜，且碳化物弥散分布在基体表层。通过在相同载荷下对未经离子化处理的钛合金与经离子化处理的钛合金进行摩擦磨损测试，结果发现，碳离子注入的合金摩擦系数更低，磨损率也更低。况军等[26]在研究强脉冲电子束对TA15的耐磨性影响时发现，经过工艺参数合理的电子束处理后，钛合金的耐磨性较未处理样品提高了近3倍。

3.2 表面涂镀技术

表面涂镀技术是指通过一系列物理或化学的方式在基体材料表面形成一层涂层或者镀层，从而达到使材料表面获得微米化、纳米化的单层或多层材料的目的，以便达到特殊的使用要求。常见的表面涂镀技术有热喷涂、化学镀、电镀、气相沉积、微弧氧化和磁控溅射等。

王成[27]通过使用超音速火焰喷涂技术和球状WC-Co粉末，成功在TC18的钛合金基体表面制造出WC-12Co涂层。摩擦磨损性能试验，结果表明，涂层的摩擦系数小于TC18钛合金的摩擦系数，且磨损体积也远小于TC18钛合金基体。李兆峰等[28]利用等离子喷涂技术在钛合金表面制备了含Al2O3、TiO2的陶瓷镀层。经耐磨性试验后发现，涂层样的耐磨性显著高于基体材料的耐磨性，涂层样的摩擦系数仅为基体材料的38.8%，磨损量仅为1.29%。孙文峰[29]通过在TC4钛合金的表面电镀Ni-P镀层使得钛合金的耐磨性明显提高，在摩擦磨损时受到更小的阻力。赵立才[30]采用在钛合金的表面化学镀Ni-P的方法，提高了钛合金的耐磨性，同时发现，热处理后有利于提高镀层的耐磨性与硬度。齐玉明等[31]用较高浓度的铝酸盐电解液在TC4钛合金表面制备了微弧氧化膜，并研究其摩擦磨损性能，高硬度氧化膜成分是Al2TiO5，γ-Al2O3以及少量金红石型TiO2，并发现增大电解液浓度可有效增大微弧氧化膜的硬度，进而使膜层的耐磨性得以提升。黄洁雯[32]研究阴极等离子体电解（CPED）沉积机制时，在钛合金的表面制备了一层HA-Ti（C， N）-TiO2复合膜，并发现膜中HA的质量浓度越大，钛合金的耐磨性越好，在1 142 ℃下，进行30 mins CPED制得的复合膜具有最好的耐磨性。潘晓龙等[33]采用TiAl作为合金靶材，通过磁控溅射的方式，在TC4钛合金的表面沉积了TiAlN涂层，与TC4钛合金的磨损质量相比，镀层失重约为基体材料的80%，摩擦磨损性能得到了较大的提高。

3.3 表面合金化技术

表面合金化技术是指通过物理或化学方法，添加物质进入材料基体表面，改善金属表面层的组成与结构，形成一层合金化层，进而对基体材料起到保护作用。

杨闯等[34]在不同温度下对TC4钛合金进行低压真空渗氮处理，并研究其耐磨性能的变化。处理后，在钛合金基体表层形成了TiN和Ti2AlN的改性层，硬度及耐磨性都有显著增强，并且温度达到820 ℃时效果最好。汪旭东[35]在对钛合金进行渗硼20 h处理后，将试样与钛合金基体分别与ZrO2对磨，结果表明，钛合金基体的摩擦系数在0.55～0.70，而试样稳定在0.38左右，磨损量也明显降低，鈦合金的摩擦磨损性能显著提高。

3.4 表面复合强化处理技术

表面复合强化处理技术[36]是指将多种表面强化处理方法综合应用或者将多种能量场复合使用的一种新型技术手段。通过合理设计把多种强化技术结合使用，进而弥补单一强化处理的缺点，得到综合性能更加优异的表面强化层。将多种能量场复合可以起到调控反应过程及增强强化效果的作用。虽然复合表面强化技术潜力巨大，但目前还不够成熟，存在处理过程难以精准控制、操作复杂、能耗较高等问题。

杜春燕[37]的研究发现，在TC4钛合金表面通过强电子束+微弧氧化处理后，所得到的复合改性层和微弧氧化层相比，有更小的摩擦系数与磨损量，耐磨性得到显著提高。王明政[38]通过运用离子渗氮+激光表面织构技术对TC4钛合金进行表面强化处理，所得到的复合改性层表面硬度有较大提升，减轻了粘着磨损、磨粒磨损，TC4钛合金在真空或大气氛围下摩擦磨损性能得到显著提升。为提高钛合金的耐磨性，顾艳红等[39]利用超声波冷锻技术对钛合金进行预处理，再采用微弧氧化技术制备涂层，研究结果表明，以超声波冷锻做预处理，微弧氧化层的摩擦磨损性能得到显著提高。

4 结语

目前，国内外关于改善钛合金低摩擦学性能的方式大多集中在表面处理技术的优化与不同组合方面，除了上述技术，近年来也出现了如表面纳米化、脉冲等离子爆炸、辉光离子等技术。虽然现有的众多技术都能使钛合金的摩擦学性能得以改善，但这些技术大多处于实验室阶段，有较高的成本与能源消耗，且工艺复杂，大多易有环境污染等问题。另一方面，这些方法制备的表面复合层大多深度较浅，在几百微米以下，在实际工业应用中，大载荷、高温、腐蚀等复杂条件下，使用效果并不令人满意，为了能使钛合金在复杂工况下使用，未来可以从以下几个方面考虑对其耐磨性进行改善：（1）对现有的表面处理工艺进行优化改进，使表面复合层硬度和深度得到更大程度的提高;（2）通过在钛合金表面制备更加优异的合金层，使得钛合金的耐磨性得到更好的改善;（3）除了对表面处理技术的研究，应对钛合金自身的摩擦磨损行为与机理进行更深入的研究，对钛合金的磨损行为进行系统性的阐释与分析。

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