茅奕舒， 崔向紅， 王樹奇， 李冬升， 楊子潤(rùn)， 孫 瑜

(1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013;2.鹽城工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇鹽城224051)

鈦合金具有耐腐蝕、比強(qiáng)度高等突出優(yōu)點(diǎn)而被稱作“太空金屬”、“海洋金屬”，在航空航天、船舶、化工和汽車等工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景［1］。在鈦合金中，以牌號(hào)TC4(國(guó)際牌號(hào)Ti6Al4V)的應(yīng)用最為廣泛，用量約占現(xiàn)有鈦合金生產(chǎn)量的一半［2］。摩擦所導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失效的主要原因之一［3～5］。而Ti6Al4V合金低的耐磨性，限制了其在摩擦磨損場(chǎng)合下的應(yīng)用［6，7］。

目前，對(duì)鈦合金的摩擦磨損性能的研究報(bào)道較少，而且通常有報(bào)道稱Ti6Al4V合金由于較低的塑性剪切抗力和表面氧化物保護(hù)性而具有較差的耐磨性［6～12］。Straffelini和Molinari［8～10］研究了Ti6Al4V合金的干滑動(dòng)磨損行為，他們認(rèn)為Ti6Al4V合金摩擦層附著力差而脆，故無(wú)保護(hù)作用。Qiu等［11］研究Ti6Al4V合金的干滑動(dòng)磨損特性發(fā)現(xiàn)，隨著磨損表面溫度的提高，磨面上形成氧化物 TiO，TiO2和V3O4，而低的耐磨性是由于形成疏松氧化物層。Alam 和 Haseeb［12］對(duì) 比 研 究 了 Ti6Al4V 和Ti24Al11Nb合金的干滑動(dòng)磨損性能，同樣指出Ti6Al4V合金摩擦氧化物不具備保護(hù)作用。然而，上述研究對(duì)Ti6Al4V合金的耐磨性和摩擦氧化物低的保護(hù)性的結(jié)論缺少直接證據(jù)。而對(duì)不同溫度下摩擦氧化物的形成和減磨作用以及Ti6Al4V合金在不同溫度下的耐磨性、磨損行為和磨損機(jī)制至今尚無(wú)報(bào)道。本工作對(duì)Ti6Al4V進(jìn)行固溶時(shí)效處理，通過干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，研究Ti6Al4V合金在不同溫度下的磨損行為和耐磨性，并探討其磨損機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)材料為Ti6Al4V合金，其主要化學(xué)成分如表1所示。經(jīng)955℃/2h，水冷后+482℃/4h空冷固溶時(shí)效處理后，其硬度值為40HRC。

表1 Ti6Al4V合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of Ti6Al4V alloy (mass fraction/%)

干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在MG-2000高溫高速磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，溫度由鎳鉻-鎳硅熱電偶和自動(dòng)控溫裝置控制。銷試樣(φ6mm×12mm)為Ti6Al4V合金，對(duì)磨盤(φ70mm×8mm)為 GCr15鋼，硬度為50HRC。實(shí)驗(yàn)溫度分別為25℃，200℃，400℃，載荷分別為50N，100N，150N，200N，250N?；瑒?dòng)速率為1m/s，滑動(dòng)距離為1.2×103m(磨損時(shí)間約20min)。實(shí)驗(yàn)前后將銷試樣和磨盤用丙酮清洗干凈并干燥，用精度為0.01mg的電子天平對(duì)磨損前后的銷試樣進(jìn)行稱量，計(jì)算其磨損失重來衡量耐磨性。取三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。采用D/Max-2500/pc型X-ray衍射儀和JSM-7001F型的掃描電鏡(SEM)及隨帶的Inca Energy 350型能譜儀對(duì)磨損表面和剖面的物相、形貌和成分進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ti6Al4V合金在不同工況下的磨損行為

圖1示出不同環(huán)境溫度下Ti6Al4V合金的磨損量與載荷的關(guān)系。可以看出，環(huán)境溫度25℃時(shí)，磨損量隨載荷的增加而逐漸升高。環(huán)境溫度200℃，載荷50～150N之間的磨損量略高于25℃時(shí)的情況，載荷大于200N時(shí)，磨損量快速升高。環(huán)境溫度400℃，載荷50N時(shí)的磨損量與25℃和200℃時(shí)接近，然而當(dāng)載荷增至100N時(shí)磨損量顯著降低;載荷為100～200N時(shí)，磨損量略增，整體低于25℃和200℃下的磨損量，表現(xiàn)出高的高溫耐磨性。當(dāng)載荷高于200N，磨損量又發(fā)生急劇上升，出現(xiàn)輕微磨損向嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變。

圖1 不同環(huán)境溫度、載荷下Ti6Al4V合金的磨損失重Fig.1 Wear loss of Ti6Al4V alloy as a function of ambient temperature and load

2.2 Ti6Al4V合金磨面的物相分析

圖2為Ti6Al4V合金在不同條件下磨損后磨面的XRD分析結(jié)果。在25℃和200℃下，XRD結(jié)果表明，磨面主要為α-Ti，沒有發(fā)現(xiàn)氧化物(圖2a，b)。400℃，在50N時(shí)也沒有氧化物出現(xiàn)，當(dāng)載荷增加至100～200N時(shí)，磨面有大量的氧化物Ti8O15和TiO2產(chǎn)生(如圖2c所示)。當(dāng)載荷為250N時(shí)，磨面氧化物消失。很明顯，氧化物的出現(xiàn)影響了Ti6Al4V合金的磨損機(jī)制，導(dǎo)致不同溫度、載荷下材料的磨損行為差異較大。

圖2 Ti6Al4V合金不同條件下磨面的XRD分析結(jié)果 (a)25℃;(b)200℃;(c)400℃Fig.2 X-ray diffraction patterns for worn surfaces of Ti6Al4V alloy sliding under various conditions(a)25℃;(b)200℃;(c)400℃

2.3 Ti6Al4V合金磨面形貌分析

圖3為不同條件下Ti6Al4V合金的磨面形貌。25～200℃/50N下，磨面呈現(xiàn)典型的黏著痕跡和犁溝(圖3a，c)。隨著載荷增加到100N時(shí)，磨面出現(xiàn)撕裂狀塑性變形及磨粒犁溝(圖3b，d)。400℃/ 50N時(shí)磨面仍呈黏著磨損痕跡(圖3e);當(dāng)載荷達(dá)到

2.4 Ti6Al4V合金磨損剖面分析

圖3 不同條件下Ti6Al4V合金的磨面形貌 (a)25℃/50N;(b)25℃/100N; (c)200℃/50N;(d)200℃/100N/;(e)400℃/50N;(f)400℃/100N;(g)400℃/250NFig.3 Morphology ofworn surfaces of Ti6Al4V alloy sliding under various conditions (a)25℃/50N;(b)25℃/100N; (c)200℃/50N;(d)200℃/100N;(e)400℃/50N;(f)400℃/100N;(g)400℃/250N

圖4和表2給出了不同條件下Ti6Al4V合金的100N時(shí)，磨面變得光滑(圖3f)，這可能是磨面出現(xiàn)氧化物的緣故(圖2c)。隨著載荷的增加，磨面出現(xiàn)剝落坑。當(dāng)載荷達(dá)到250N時(shí)，磨面的形貌與存在氧化物的磨面完全不同。由XRD結(jié)果可知，磨損氧化物基本消失(圖2c)，磨面發(fā)生較顯著的塑性變形(圖3g)。磨損剖面的分析結(jié)果?？梢钥闯觯诓煌瑮l件下磨損時(shí)，Ti6Al4V合金磨損表面上均形成摩擦層，所形成摩擦層的成分、厚度及性能隨磨損條件不同而發(fā)生改變。在溫度25～200℃時(shí)摩擦層幾乎不含氧或含極微量的氧，而400℃時(shí)摩擦層含較多的氧。這與圖2的XRD結(jié)果是一致的。在低載時(shí)(50N)，隨著溫度提高，摩擦層從8μm增加到20μm。而高載時(shí)，不同溫度下摩擦層均可達(dá)到20μm。然而，在較低溫度(25～200℃)或較低載荷(50N)下，摩擦層硬度與基體硬度相近，僅略高于基體。而在400℃/ 100～200N摩擦?xí)r，摩擦層(565HV)的硬度明顯高于基體(310～355HV)硬度。可以推測(cè)，高硬度的摩擦層具有較高的抗磨性，由此不難理解400℃/100～200N時(shí)Ti6Al4V合金具有低的磨損量。

圖4 不同條件下Ti6Al4V合金的剖面形貌和EDS線分析 (a)25℃/100N;(b)200℃/100N;(c)400℃/100NFig.4 Morphology and EDS line analysis of subsurface of Ti6Al4V alloy sliding under various conditions (a)25℃/100N;(b)200℃/100N;(c)400℃/100N

表2 Ti6Al4V合金在不同條件下磨損過程中摩擦層的厚度和硬度Table 2 Thickness and hardness of tribo-layer in Ti6Al4V alloy under various conditions

3 討論

近來，一些研究報(bào)道了關(guān)于Ti6Al4V合金在不同滑動(dòng)速率和載荷下的磨損行為和磨損機(jī)制［8～12］。Straffelini和Molinari系統(tǒng)地研究了Ti6Al4V合金在不同滑動(dòng)速率和載荷下的磨損機(jī)制［8～10］。研究發(fā)現(xiàn)隨著滑動(dòng)速率的增加出現(xiàn)了氧化磨損到剝層磨損的轉(zhuǎn)變，表面氧化物也更易剝落，從而導(dǎo)致Ti6Al4V合金耐磨性下降。Qiu等［11］研究了在較高的滑動(dòng)速率下摩擦熱對(duì)Ti6Al4V合金摩擦磨損行為的影響。發(fā)現(xiàn)隨著磨損溫度的升高，在磨損表面生成了氧化物TiO，TiO2和V3O4。他們認(rèn)為隨著滑動(dòng)速率的升高，Ti6Al4V合金磨損性能降低的原因是形成了疏松的氧化物層。Alam和Haseeb［12］研究了Ti6Al4V和Ti24Al11Nb合金與淬火鋼進(jìn)行干摩擦磨損特性，指出Ti6Al4V合金耐磨性能差是由于剝落嚴(yán)重; Ti24Al11Nb合金較低的磨損率與這種合金保護(hù)層上形成的TiNb氧化物有關(guān)。這種磨損是由黏著和磨粒兩方面共同作用導(dǎo)致而非磨損氧化物的影響。

經(jīng)XRD檢測(cè)和磨面形貌分析可知，在25℃和200℃下，Ti6Al4V合金在磨損過程中磨面均未生成氧化物，說明鈦合金具有較強(qiáng)的抗氧化性。在25℃和200℃下，磨面均呈現(xiàn)典型的黏著痕跡和犁溝形貌，磨損機(jī)理為黏著磨損和磨粒磨損。400℃下的磨損情況與25～200℃下的情況差異較大。400℃/50N時(shí)，磨面仍呈現(xiàn)黏著痕跡，這時(shí)無(wú)氧化物生成，故仍為黏著磨損。當(dāng)載荷在100～200N之間時(shí)，磨面有大量的Ti8O15和TiO2生成，氧化物的出現(xiàn)明顯對(duì)磨面起到保護(hù)作用，磨損失重明顯降低，且在100N時(shí)出現(xiàn)了最低磨損率。這時(shí)磨面出現(xiàn)大量的氧化層和少量的剝落坑，為輕微氧化磨損。由于氧化物的減磨作用，在100～200N載荷間磨損失重增加緩慢;當(dāng)載荷繼續(xù)升高到250N時(shí)，由于鈦合金發(fā)生較大塑性變形，導(dǎo)致磨面氧化物大量剝落直到消失，磨面出現(xiàn)顯著的塑性流變痕跡。

從磨面的剖面分析可以看出，Ti6Al4V合金在磨損過程中均可以形成摩擦層。其形成是由于磨屑在磨面之間受到反復(fù)擠壓甚至燒結(jié)，使得表面與基體性質(zhì)不同，屬于典型的機(jī)械混合層。磨面XRD衍射譜中Ti衍射峰明顯寬化，說明在摩擦層中晶粒細(xì)化、缺陷密度升高并有較高的微觀應(yīng)力存在。然而，在25～200℃時(shí)，這樣的摩擦層與基體的性能是相近的，并沒有對(duì)磨損產(chǎn)生減磨作用。而在400℃/ 100～200N時(shí)摩擦氧化物出現(xiàn)在摩擦層時(shí)，摩擦層的性能顯著提高，其硬度為565HV，明顯高于基體硬度，這樣硬而厚的摩擦層存在，對(duì)基體磨損產(chǎn)生顯著的減磨作用。

許多研究者認(rèn)為鈦合金具有低的耐磨性，并把其歸因于摩擦氧化物不具有保護(hù)作用［6～12］。然而通過分析可知，鈦合金在一定條件下具有高耐磨性，如其高溫耐磨性，而且當(dāng)摩擦氧化物達(dá)到一定量時(shí)具有顯著的減磨作用。

4 結(jié)論

(1)25℃時(shí)，磨損量隨載荷的增加逐漸升高; 200℃的磨損量高于25℃，并且在200N時(shí)開始顯著增加;400℃/50～100N，磨損率降至最低，隨后磨損率略有提高，200N后又明顯升高，其磨損量明顯低于25～200℃下的磨損量?？梢姡琓i6Al4V合金具有高的高溫耐磨性。

(2)從磨面的XRD和SEM分析結(jié)果可知，25～200℃下磨面無(wú)氧化物生成，屬黏著磨損和磨粒磨損;400℃/100～200N出現(xiàn)氧化物，氧化物主要是Ti8O15和TiO2，為氧化輕微磨損。

(3)磨損過程中形成的摩擦層為機(jī)械混合層，其成分、厚度及性能因?qū)嶒?yàn)條件不同而不同，當(dāng)400℃/100～200N時(shí)，機(jī)械混合層中含有氧化物Ti8O15和TiO2，這樣硬的機(jī)械混合層具有顯著的減磨作用。

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