微弧氧化对TC4钛合金微动磨损行为的影响

2021-03-12俞树荣马邦豪何燕妮景鹏飞

钛工业进展 2021年1期

俞树荣，马邦豪，宋伟，何燕妮，景鹏飞，尘强

(兰州理工大学, 甘肃兰州 730050)

微动是指名义上静止的两接触体表面在振动工况下(如疲劳载荷、机械振动)发生的极小振幅的相对运动[1]，其振幅为微米量级(一般小于300 μm)，普遍存在于航天航空、化工设备、核电能源等众多领域。微动会对机械配合件造成形式复杂且具有隐蔽性的损伤[2]，造成巨大的安全隐患和经济损失，影响构件的安全性和可靠性，已成为大量关键零部件失效的主要原因之一[3-5]。

钛合金因其密度低、比强度高、耐腐蚀性良好等特点被广泛应用在众多工程领域[6]，然而由于硬度低、抗疲劳性能差、耐磨性较差等原因，使其对微动损伤十分敏感。有研究表明，微动作用可使钛合金疲劳极限降低20%～50%，严重影响其使用寿命，给实际工程应用带来危害[6-8]。近些年，为提高钛合金表面性能出现了较多的表面改性方法[9，10]，其中微弧氧化技术是通过电解液与相应电参数组合，在金属表面原位生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷涂层。如刘百幸等人[9]研究了微弧氧化膜的磨损性能及失效机理，发现在干摩擦和油润滑环境下，剪切应力和压应力分别是导致膜层失效的主要因素，采取有效润滑可提高膜层的使用寿命；杨力等人[11]研究了不同合金表面微弧氧化膜层的硬度及磨损形貌，发现TA1和TC10钛合金表面微弧氧化膜层的抗磨特性优于TC4钛合金表面微弧氧化膜层；齐玉明等人[12]研究了钛合金表面高硬度微弧氧化膜的耐磨性，发现采用高浓度铝酸盐电解液制备的微弧氧化膜具有较高硬度，在滑动干摩擦条件下表现出优异的耐磨性。由于微弧氧化工艺操作简单、绿色环保，且生成的陶瓷层具有高耐磨性、良好的耐腐蚀性以及与基体结合紧密等特点，成为耐磨性、耐蚀性防护等领域研究热点[13-16]，但应用于微动损伤防护领域中的研究较少。实验选用应用较广的TC4钛合金材料，通过微弧氧化技术在其表面制备陶瓷层，探究TC4钛合金在微弧氧化前后表面形貌及摩擦系数等变化，分析氧化陶瓷层对TC4钛合金抗微动损伤性能的影响，从而为钛合金抗微动损伤设计提供理论支持与实际参考。

1 实验

截取φ24 mm×7.8 mm的TC4钛合金圆柱试样，表面用SiC水磨金相砂纸进行逐级打磨，再用粒度为0.04 μm的SiO2抛光液进行抛光，使其表面粗糙度Ra在0.03～0.04 μm之间。抛光试样用丙酮溶液在超声波清洗器中清洗，并用乙醇洗干净以备微弧氧化试验。

采用微弧氧化法在TC4钛合金试样表面制备微弧氧化陶瓷层，试验中阳极选用已制备好的TC4钛合金，阴极为电解池。电解液采用磷酸盐溶液，配置过程：在烧杯中准备1600 mL去离子水，根据电解液浓度计算Na3PO4质量，并加入去离子水中搅拌至溶解，再加入适量乙酸将pH调至10～11之间。在试验过程中相应的电参数：电源频率为500 Hz，电压为450 V，时间为30 min。

以球-平面接触方式, 采用德国Optimol公司制造的SRV-IV微动摩擦磨损试验机进行微动磨损试验。摩擦副上试样选用φ10 mm的GCr15钢球，下试样为TC4钛合金，上、下试样化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。试验参数：法向载荷为10 N，频率为25 Hz，位移幅值分别为80、150 μm，循环次数为45 000次，在室温下摩擦30 min。微动磨损试验完成后，用QUANTA FEG 450场发射扫描电子显微镜(SEM)观察TC4基体和微弧氧化陶瓷层的表面磨损形貌。摩擦系数由计算机实时采集得到。用OLYMPUS OLS 5000 3D激光共聚焦显微镜(LSCM)测量磨损量和磨痕深度曲线。

表1 TC4和GCr15化学成分 (w/%)Table 1 Chemical composition of TC4 and GCr15

表2 TC4和GCr15主要力学性能Table 2 Main mechanical properties of TC4 and GCr15

2 结果与分析

2.1 摩擦系数

图1为TC4基体和微弧氧化膜层在位移幅值D分别为80、150 μm下的摩擦系数随时间变化曲线。从图1可以看出，摩擦系数可分为3个阶段：快速上升期，波动期，稳定期。

由图1a可知，位移幅值为80 μm时，初始阶段即200 s前，TC4基体表面与对磨材料接触面积较小，摩擦力也小，但随着摩擦的进行，基体表面膜受挤压摩擦的作用被迅速破坏和去除，金属基体接触面积增大，导致摩擦系数快速上升[17]；在300～700 s之间，摩擦系数处于波动状态。随着循环次数的增加，颗粒不断地剥落，磨痕表面形成具有阻隔作用的第三体层在微动挤压作用下逐渐发生细化，但第三体的产生与接触表面的溢出保持动态平衡，摩擦系数趋于稳定。微弧氧化膜层的摩擦系数在磨损初期较小，300 s前随着表面膜逐渐破裂，摩擦副发生直接接触使摩擦系数快速上升；300～900 s时摩擦系数属于波动状态而后便趋于稳定；由于微弧氧化膜层表面比较粗糙，所以与TC4基体相比，同时间段微弧氧化膜层摩擦系数大；但在1600～1700 s时，摩擦系数明显下降，考虑是对磨材料或剥落颗粒填充到微弧氧化膜层微孔凹陷处，与压实氧化层的形成有关[18]。微弧氧化膜层的平均摩擦系数为0.811，略高于TC4基体(0.773)。

图1 不同位移幅值下TC4基体和微弧氧化膜层摩擦系数变化曲线Fig.1 Friction coefficient variation curves of TC4 substrate and micro-arc oxide film at different displacement amplitudes： (a) D=80 μm; (b) D=150 μm

由图1b可知，在位移幅值为150 μm时，微动初始阶段摩擦系数快速上升，在200～600 s之间，塑性变形—粘着—粘着断裂—再粘着过程反复出现，摩擦系数一直处于波动状态，呈现出类似于锯齿的形状。随后接触面三体作用增强，摩擦系数略微回落且逐渐稳定，随着循环次数的增加，磨屑的产生和排出达到动态平衡，摩擦系数相对趋于稳定。微弧氧化膜层平均摩擦系数(0.727)低于TC4基体的平均摩擦系数(0.761)，这是由于此条件下磨损过程中疏松层剥落的颗粒嵌入微弧氧化膜层微孔中，使膜层表面变的平整，磨面摩擦氧化物的出现对摩擦系数变化也会产生一定的影响[19]。相比于80 μm时，位移幅值为150 μm微动循环中微弧氧化陶瓷层的摩擦系数减小，低于TC4基体的平均摩擦系数，这是由于增大位移幅值，微动由混合区进入完全滑移区，此时由弹性协调变形向滑移转变，摩擦系数峰值降低。

2.2 磨损量与磨损率

TC4基体和微弧氧化膜层耐磨性能用磨损量及磨损率来衡量[20，21]。磨损量用OLYMPUS OLS 5000 3D激光共聚焦显微镜测得, 磨损率由(1)式得：

(1)

式中：K为磨损率，μm3/(N·μm)；V为磨损量，μm3；N为微动循环次数；D为位移幅值，μm；F为法向载荷，N。

图2为不同位移幅值下TC4基体与微弧氧化膜层的磨损量与磨损率。由图2a可知，当法向载荷一定时，位移幅值增加后磨损量随之增加；由图2b可知，位移幅值增加后磨损率也随之增大，微弧氧化膜层的磨损率曲线斜率大于TC4基体磨损率曲线，这与微弧氧化膜层的疏密程度不均匀/表面粗糙或孔径大小有关；在相同的位移幅值下，基体的磨损量和磨损率均大于微弧氧化陶瓷涂层。位移幅值为80 μm时，微动处于混合区，快速滑动产生的磨屑难以排出而积聚在一起，其磨损区域面积较小，对材料和对磨球之间的接触起到隔离的作用，积聚的磨屑对微动起缓冲作用，此时TC4基体的磨损量及磨损率约为微弧氧化膜层的1.4倍；位移幅值增大到150 μm时，微动状态处于完全滑移区，摩擦长度相对较长，微动磨损区域变大，快速滑动产生的磨屑容易排出，造成金属与金属间接触加剧，磨损增大，材料损失更为严重。位移幅值D=150 μm时，两者磨损量明显变大，而微弧氧化陶瓷层的磨损量仅为TC4基体的70%。

图2 不同位移幅值下TC4基体与微弧氧化膜层的磨损量和磨损率Fig.2 Wear volume(a) and wear rate(b) of TC4 substrate and micro-arc oxide film at different displacement amplitudes

图3为位移幅值为80 μm时TC4基体和微弧氧化膜层的磨痕三维形貌和磨痕深度曲线。由图3a、b可以看出，在D=80 μm时，微弧氧化膜层微动磨损面积小于钛合金基体，第三体起到固体润滑的作用，磨损坑浅。由图3c可知，微弧氧化膜层磨痕深度较小，与磨损量趋势一致。图4为D=150 μm时TC4基体和微弧氧化膜层的磨痕三维形貌和磨痕深度曲线。由图4可知，位移幅值增大后，TC4基体与微弧氧化膜磨痕深度明显增大。一方面，在位移幅值较大时，微动过程中产生的摩擦热促进接触区氧化反应进行，加速氧化膜的形成；另一方面，随微动磨损的进行，表面氧化膜二次破裂和形成的时间间隔延长，造成氧化膜破坏[22]。氧化膜形成—破坏的过程不断重复，磨损严重，加剧材料的流失，造成磨痕深度的增大，但相同位移幅值下，微弧氧化的磨痕深度总是小于TC4基体。由磨损量、磨损率、磨痕三维形貌及磨痕深度曲线得出：在相同位移幅值下，微弧氧化膜层磨损量均小于TC4基体，磨损率也较小，磨痕深度也较浅，因而微弧氧化膜层改善了TC4基体的耐磨性，减弱磨损效果明显[9.23，24]。

图3 位移幅值为80 μm时磨痕的LSCM测试结果Fig.3 LSCM test results of wear scar at displacement amplitude of 80 μm：(a)wear trace morphology of TC4 substrate; (b)wear trace morphology of micro-arc oxide film; (c)grinding depth curves

图4 位移幅值为150 μm时磨痕的LSCM测试结果Fig.4 LSCM test results of wear scar at displacement amplitude of 150 μm：(a)wear trace morphology of TC4 substrate; (b)wear trace morphology of micro-arc oxide film; (c)grinding depth curves

2.3 磨损表面形貌及磨损机制

图5为TC4基体与微弧氧化膜层表面形貌。图5a为TC4基体表面形貌，可以看到显微组织由α+β相组成，灰色的是α相，白色的为晶界β相，所占体积分数分别约为60%和40%[25]；图5b、5c为微弧氧化膜层表面形貌，粗糙的表面是由于反应时熔融的放电通道在冷却过程中收缩不匀而形成凹凸不平的形态[11]，表面孔洞的尺寸也在一定程度上影响了膜层整体的均匀性和粗糙度[10-12]。从图5c可以看出，微弧氧化膜层中存在许多细小的显微孔洞，这是微弧氧化过程中反应区与反应物排出的通道[26]。

图5 TC4基体和微弧氧化膜层的表面形貌Fig.5 Surface morphologies of TC4 substrate (a) and micro-arc oxide film (b，c)

图6a～6c为TC4基体在D=80 μm时的表面磨损形貌。由图6a可以看出，磨痕中心位置有片状脱落，表面遍布大量磨屑，考虑是第三体层破裂所致；图6b表面呈现出典型的粘着磨损特征，可看到具有层状结构的舌形楔，其反映出塑性变形和撕裂的特征，同时观察到沿微动方向的犁沟形貌[27，28]。图6c表面可观察到松散的磨屑、脱落的片状材料，此时易萌生裂纹，诱发疲劳的产生。图6d～6f为微弧氧化层D=80 μm时的表面磨损形貌。从图6e可见，在摩擦力的作用下材料剥离而产生了磨粒，在磨粒摩擦磨损的过程中，膜层表面沿微动方向产生明显的犁沟，形成磨粒磨损；混合区产生的磨屑一部分排出，一部分则堆积粘着。从图6f可以看出，微弧氧化膜层出现大范围黑色光滑区和少量剥落坑和裂纹，微弧氧化的光滑区即为含有摩擦氧化物膜层。综上所述，在位移幅值为80 μm时，TC4基体磨损机制以粘着磨损和磨粒磨损为主，微弧氧化膜层磨损机制以氧化磨损为主，并伴有磨粒磨损。

图6 位移幅值为80 μm时TC4基体和微弧氧化膜层的表面磨损形貌Fig.6 Wear morphologies of TC4 substrate (a～c) and micro-arc oxide film (d～f) at displacement amplitude of 80 μm

图7a～7c为TC4基体在D=150 μm时表面磨损形貌。由图7b、7c可知，位移幅值增大后，微动磨损区域变大，此时微动处于完全滑移区，快速滑动产生的磨屑有一部分被推挤出接触区，使得基体与对磨球接触增大，摩擦热也增大，氧化膜形成—破坏过程重复进行，使得氧化磨损进一步加剧；相对滑动更加剧烈，裂纹在更深的亚表层萌生，进一步向表面扩展，与表面裂纹汇合，造成更严重的疲劳脱层，在材料表面以较大片层的形式脱落，因而在图7c中可以观察到更大更深的剥落坑。图7d～7f为微弧氧化膜层在D=150 μm时的磨损表面形貌。图7d、7f表面有沿微动方向的犁沟形貌，这是由于微弧氧化膜层具有较高的粗糙度，凸起部位先被磨平，一部分形成的磨粒镶嵌到膜层孔洞中，一部分破坏脱落而被碾压成硬质颗粒发生机械切削形成犁沟；图7e可以观察到材料发生裂纹形核，在切应力作用下，裂纹扩展，使材料发生层状剥落，形成较深的剥落坑，同时看到黑色层覆盖，磨损表面出现黑色区，这是氧化磨损的典型特征；由于微弧氧化表面改性技术所用电解液为碱性体系，较酸性体系而言放出的气体少[29]，膜层表面的孔径也小，但是裂纹多。从图7e也可以观察到较多的裂纹。综上所述，位移幅值D=150 μm时，TC4基体磨损机制为疲劳磨损和氧化磨损，微弧氧化膜层磨损机制以氧化磨损为主并伴有磨粒磨损。