关于钛合金激光着色的耐磨性和耐候性探讨

车荣泓 吴凡睿

摘 要：本文对TC4钛合金激光着色样品展开耐磨性和耐候性测试，探索钛合金激光着色工艺对钛合金表面性能的改善作用。从测试结果来看，激光着色后的钛合金样品表面摩擦系数降低了11.1%-17.8%，磨损率也有所降低，使得材料耐磨性得到了有效提高；样品在湿热环境中放置50h后未发生明显颜色变化，激光着色样品具有良好的耐候性。

关键词：钛合金激光着色；耐磨性；耐候性

中图分类号：TG174.44 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）06-0088-02

1 钛合金激光着色后的表面性能测试

1.1 表面耐磨性测试

利用激光进行TC4钛合金表面微型构造加工，可以使样品表面发生织构化，从而使材料耐磨性得到提高[1]。为验证这一观点，对TC4钛合金激光着色前后的摩擦系数和磨损率进行测试，以验证样品表面性能变化。

1.1.1 摩擦系数测试

在摩擦系数测试上，使用设备型号为HT-100的高温摩擦磨损试验机展开试验。在测试过程中，需选取黄绿、紫色、绿色、黄色和藍色这5种典型TC4钛合金激光着色试样，并准备未着色TC4钛合金基体，共同开展滑动干摩擦磨损实验。通过对比，研究激光着色后样品的摩擦系数变化情况。

1.1.2 磨损率测试

磨损率是试样在单位时间和单位载荷下的磨损量。在摩擦磨损实验中，对试样的质量磨损量进行测量，完成磨损率计算，从而更好的确认试样磨损性能。利用式（1），进行磨损率I的计算。式中dM指的是质量磨损量，dt则时磨损时间，dF指的是载荷。在实验前后，利用丙酮超声波进行试样表面清洗，并利用风机吹干，然后进行试样质量称量，称量使用的天平的感量为0.1mg。针对各试样，需分别称重5次，然后进行平均值求取。

I=dM/（dF×dt） （1）

1.2 表面耐候性测试

对TC4钛合金着色试样进行耐候性测试，利用恒温恒湿试验箱ZH-TH-80D为试样提供测试需要的环境。将试验箱湿度调整为80%RH，温度调整为120℃，然后分别在10h、20h、30h、40h、50h后将着色试样取出与原始试样完成颜色比对，颜色测试使用美国OceanOptics公司生产的规格型号为Maya-PRO的光谱仪。

2 钛合金激光着色的耐磨性和耐候性分析

2.1 材料耐磨性分析

2.1.1 摩擦系数分析

如图1（a），未着色基体的摩擦系数呈现出先增长后稳定的变化趋势。在实验一开始，基体的摩擦系数约为0.25，此时实验阶段可以被称之为预磨阶段。在0到8min内，基体表面摩擦系数不断提高，直至进入稳定阶段，即8min后，基体表面摩擦系数维持在0.45左右。分析该现象产生的原理可以发现，摩擦系数与摩擦力大小有直接的关系，在试样承受的载荷一定的情况下，摩擦力由粘黏分量、犁削分量和微凸变形分量构成。在一开始摩擦时，由于未着色基体表面较为光滑，所以摩擦系数较小。此时，基体表面微凸点只有很小面积与摩擦副小球表面硬质颗粒接触，因此试样接触点上承担较大压力[2]。

5种着色试样的摩擦系数变化情况如图（b）2所示，在一开始阶段，试样与基体拥有大致相同的摩擦系数，大小均不超出0.25。进入预磨阶段，着色试样摩擦系数快速提高，但相较于基体试样，着色试样的预磨时间仅在4min左右。进入到稳定阶段，着色试样的摩擦系数取值在0.37-0.40范围内，摩擦系数较之基体试样降低了11.1%-17.8%。分析该现象产生原因可以发现，经过激光着色后，钛合金表面将产生着色膜层[3]。而该种膜层表面存在细微裂纹，本身不够致密，所以在预磨阶段产生磨屑的速度更快，试样磨面也能尽快进入稳定状态。

2.1.2 磨损率分析

如表1所示，为各种试样的磨损率。从磨损率测试结果来看，在实验后，基体试样质量磨损量达到了6.81mg，黄绿、紫色、绿色、黄色和蓝色这5种着色试样的质量磨损量分别达到了5.19、5.33、4.71、4.77、4.0mg。从测试结果来看，经过激光着色后，钛合金表面磨损率得到了明显降低，可以说明材料表面耐磨性得到了提高。

2.2 材料耐候性分析

材料耐候性测试如表2所示。5种着色试样在恶劣环境条件下保存50h后，试样色差值并未超出4，所以基本可以忽略试样颜色变化，由此可见经过激光着色后的TC4钛合金试样拥有较好的耐候性。分析该现象产生的原因可以发现，经过激光着色处理后，钛合金表面产生了氧化薄膜，可以防止空气中的氧气与基体反应。即便在高温高湿条件下，基体与氧的反应也将被减慢，因此试样表面颜色并未发生较大变化。

3 结语

通过分析可以发现，采用激光着色方法进行钛合金表面处理，不仅能够使材料表面色彩更加丰富，还能使材料的耐磨性能得到改善，同时也能使材料获得较好的耐候性，所以能够使材料的附价值得到提升。

参考文献

[1]高鸿志，李建美，霍孟友.纳秒激光金属表面着色技术机理研究的发展与展望[J].应用激光，2017，37（05）：752-758.

[2]刘忠民，郭亮，张庆茂.纳秒激光不锈钢着色过程中的热作用及氧化规律[J].应用激光，2017，37（04）：563-568.

[3]李云龙，李建美，王爱群，等.激光诱导Ti-6Al-4V钛合金表面着色研究[J].激光与红外，2017，47（06）：674-679.