應(yīng)揚(yáng) 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(rèn)識(shí)和新的研究進(jìn)展，綜述了有關(guān)鈦合金磨損機(jī)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(wèn)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(hào)：TG 146.2+3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鈦合金的使用從20世紀(jì)50年代末實(shí)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(qiáng)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(shí)間內(nèi)顯示出強(qiáng)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(lái)鈦合金制品面臨的一個(gè)不可規(guī)避的問(wèn)題是其摩擦磨損性能較差，在摩擦工況下使用時(shí)，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(guò)程中產(chǎn)生的磨屑很容易碎化和去除，對(duì)鈦合金基材表面不具有保護(hù)作用。

隨著鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，與鈦合金摩擦磨損性能相關(guān)的問(wèn)題也越來(lái)越多，為了改善鈦合金的摩擦磨損性能，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，對(duì)其摩擦磨損機(jī)制的研究是鈦合金未來(lái)研究的重點(diǎn)。

1 鈦合金摩擦磨損性能的影響因素

針對(duì)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(lái)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(guò)程中產(chǎn)生的產(chǎn)物也會(huì)對(duì)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(duì)磨速度、溫度和配副材料等。

1.1.1載荷

Zhong等對(duì)Ti-20Zr-6.5A1-4V合金進(jìn)行了不同載荷下的真空干摩擦性能測(cè)試。結(jié)果表明，摩擦因數(shù)隨著載荷的增大而增大，同時(shí)磨痕加深，磨損體積增加（如圖1所示）;主要磨損機(jī)制由10N下的輕微黏著磨損和嚴(yán)重磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)?0N下的嚴(yán)重塑性變形和剝層磨損;且不銹鋼球上存在一層來(lái)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(duì)不同載荷下TC4鈦合金的磨損情況進(jìn)行了測(cè)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(shì)，可見(jiàn)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(duì)TC4鈦合金在空氣和真空中的磨損性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)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(shuō)明氧化會(huì)加劇其磨損。趙威等的研究也指出，鈦合金在氮?dú)饨橘|(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(shuō)明氧化會(huì)加速鈦合金的磨損。

1.1.3對(duì)磨速度

Mishra研究了兩種對(duì)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(shí)摩擦因數(shù)較高，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，摩擦因數(shù)較低;隨著摩擦過(guò)程的進(jìn)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(guò)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(duì)基體起到了保護(hù)作用。隨著溫度的升高鈦合金的磨損機(jī)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(shí)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(shí)磨損機(jī)制也發(fā)生了變化，在高溫時(shí)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(huì)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(duì)磨時(shí)的摩擦磨損行為，發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金與Si₃N₄陶瓷配副對(duì)磨時(shí)有比與440C不銹鋼配副對(duì)磨時(shí)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(guò)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間低溫處理后，再進(jìn)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(guò)低溫處理，材料晶粒尺寸細(xì)化、β相減少，此外高密度位錯(cuò)和孿晶的形成，可以消耗摩擦過(guò)程中的能量和阻礙裂紋的擴(kuò)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(duì)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(shí)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(jī)制以黏著磨損為主，固溶后時(shí)效處理的TC4鈦合金的磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。王防等的研究結(jié)果也表明了通過(guò)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(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的材料損傷過(guò)程，隨著磨損過(guò)程的進(jìn)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(guò)程變得更加復(fù)雜，同時(shí)對(duì)材料的摩擦磨損性能也會(huì)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(duì)磨時(shí)發(fā)現(xiàn)在600℃時(shí)TC4鈦合金的磨損率明顯降低，這說(shuō)明此時(shí)形成的摩擦層對(duì)鈦合金基體具有一定的保護(hù)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(shí)TC4鈦合金磨損率較高，且摩擦層磨屑中極少含有氧化物?？梢?jiàn)含有氧化物的摩擦層可以起到減磨作用，提高了鈦合金的耐磨性。Furuichi等進(jìn)行了鈦合金干摩擦磨損和有潤(rùn)滑下的摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明干摩擦過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的氧化物可以對(duì)基材產(chǎn)生保護(hù)作用的這一觀點(diǎn)，

1.3.2摩擦熱

摩擦磨損過(guò)程中配副接觸面之間會(huì)產(chǎn)生熱量。當(dāng)載荷和速度都較低時(shí)，產(chǎn)生的熱量較少，對(duì)摩擦磨損行為影響不明顯，當(dāng)載荷和速度比較高時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)使接觸面溫度明顯升高，對(duì)后續(xù)的摩擦磨損過(guò)程產(chǎn)生影響。邱明等研究了摩擦熱對(duì)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(huì)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(huì)降低TC4鈦合金的耐磨性。

從目前的研究來(lái)看，鈦合金在不同條件下的摩擦磨損機(jī)制也不同，且通常是兩種或多種磨損機(jī)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(huì)影響鈦合金的磨損機(jī)制和摩擦磨損性能，同時(shí)各個(gè)影響因素之間也會(huì)協(xié)同作用，從而對(duì)鈦合金的摩擦磨損性能產(chǎn)生更加復(fù)雜的影響。因此，對(duì)于鈦合金磨損問(wèn)題，還需要進(jìn)行更加深入的研究;通過(guò)分析不同條件下摩擦磨損的聯(lián)系和區(qū)別，進(jìn)一步加深對(duì)鈦合金摩擦磨損問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

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(lái)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(guò)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(duì)Ti-35.3Nb-7.3Zr-5.7Ta合金進(jìn)行了氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)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(duì)磨時(shí)磨損率降低26%，同時(shí)抗腐蝕性也得到提高。Markov等通過(guò)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(jìn)入基材表面，在表面形成一層具有保護(hù)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(yuǎn)高于基體的表面硬度，其耐磨性也隨之提高。Attabi等對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行離子氮化表面處理，處理后表層維氏硬度高達(dá)1500，在與Al₂O₃球?qū)δr(shí)，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(dá)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(guò)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(diǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于TC4鈦合金基體的，這主要是因?yàn)槟Σ吝^(guò)程中脫落的銅磨屑在后續(xù)摩擦過(guò)程中對(duì)基體起到了潤(rùn)滑和保護(hù)作用。劉洪濤通過(guò)在鈦合金表面進(jìn)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(duì)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(duì)鍍層進(jìn)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(hù)涂層，最內(nèi)層采用等離子氮化設(shè)計(jì)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(guò)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(jìn)行對(duì)磨，測(cè)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(guò)以上表面處理技術(shù)可以使表層耐磨性獲得較大提高，國(guó)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(guò)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(guò)原位合成法制備了TiB+TiC顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，增強(qiáng)相顆?？梢杂行ё柚够瑒?dòng)磨損和刮擦破裂，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?jǐn)?shù)達(dá)到12.5%時(shí)，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(jìn)了C在純鈦粉中的擴(kuò)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(wèn)題的復(fù)雜性，研究時(shí)應(yīng)注重各個(gè)影響因素之間的協(xié)同作用，同時(shí)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(wèn)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(zhǎng)時(shí)間的情況下時(shí)，實(shí)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(gè)方面進(jìn)行：（1）對(duì)現(xiàn)有的表面處理工藝進(jìn)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(guò)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(qiáng)相，使其摩擦磨損性能由表及里的得到改善。