HVOF制備CuNiIn涂層對TC4-DT鈦合金抗微動磨損的改善

吳軒璇，黃建云，柏 林，趙志國，馬國佳

（1.中航工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都 610091；2.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

鈦合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、溫度性能好、耐蝕性好、與復(fù)合材料相容性好等特點(diǎn)，綜合性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于航空、航天產(chǎn)品[1]，特別是先進(jìn)飛機(jī)重要受力結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)殼體和壓氣機(jī)葉片都大量采用了鈦合金材料，對提高飛機(jī)和發(fā)動機(jī)性能、減少重量起到非常重要的作用。我國自主研發(fā)的TC4-DT中強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金和TC21高強(qiáng)高韌損傷容限鈦合金作為主干材料，被廣泛用于新型飛機(jī)框、梁、接頭等關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)。其中，TC4-DT鈦合金是在傳統(tǒng)TC4鈦合金的基礎(chǔ)上，通過降低間隙元素含量研制出的一種新型中強(qiáng)高韌損傷容限型兩相鈦合金，既保持了傳統(tǒng)TC4合金優(yōu)良的力學(xué)性能，又有良好的損傷容限性能[2-3]。TC21鈦合金是采用準(zhǔn)β鍛造技術(shù)或近β鍛造技術(shù)制造，其綜合性能與美國的Ti-62222S合金性能相當(dāng)[2,4]。但是，鈦合金對表面缺陷和應(yīng)力集中十分敏感，這與其電子層、晶體結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)率密切相關(guān)。室溫環(huán)境下，α-Ti是六方結(jié)構(gòu)，c/a=1.588，遠(yuǎn)小于理想值1.633，{1001}晶面易滑移，并發(fā)生粘著。另外，鈦合金活性高，熱傳導(dǎo)率低，在微動磨損過程中極易發(fā)生氧化而形成氧化層，在微動過程中氧化層不斷生成和磨損，導(dǎo)致鈦合金基體不斷被消耗。因此鈦合金在一些重載微動的連接部位容易發(fā)生微動磨損，使連接間隙增大，大大降低疲勞極限[5-8]，導(dǎo)致零部件失效，嚴(yán)重的會影響飛行器的安全可靠性和使用壽命，限制了鈦合金的使用范圍，因此改善鈦合金的抗微動磨損性能非常重要。

超音速火焰噴涂（HVOF）是利用高速焰流將粉末粒子撞擊基體形成涂層，其焰流溫度約為3000℃、焰流速率高達(dá)2000m/s，粉末粒子速度為 300～500m/s，粉末沖擊在基體表面的動能大，故而制備的涂層具有表面致密光潔（孔隙率小于2%）、結(jié)合強(qiáng)度高（60～70MPa）等特點(diǎn)[9]，因而被廣泛應(yīng)用在航空航天、化工設(shè)備、機(jī)械裝備等領(lǐng)域[10-13]。CuNiIn涂層是一種硬度低、耐微動磨損性能好的優(yōu)質(zhì)軟固體潤滑膜層[14-15]，具有一定的變形能力，易與基體發(fā)生幾何匹配。在鈦合金微動磨損防護(hù)方面的應(yīng)用非常有前景，已經(jīng)被用在部分航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片和輪盤榫槽之間起到抗微動磨損的作用[16-18]。

本試驗(yàn)以TC21鈦合金和TC4-DT鈦合金組成線接觸摩擦副，利用超音速火焰噴涂在TC21鈦合金試件表面噴涂CuNiIn軟潤滑膜層，研究超音速火焰噴涂CuNiIn對TC21基體疲勞性能的影響和對TC4-DT微動磨損的防護(hù)作用。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用圓柱/平面的線接觸摩擦方式，上試樣為TC21鈦合金圓柱體，尺寸為φ=6mm，l=16mm，Ra≤ 0.8μm，如圖 1（a）所示。而下試樣為TC4-DT鈦合金長方體，尺寸為a=20mm，b=10mm，h=7mm，Ra≤ 1.6μm，如圖 1（b）所示。

實(shí)驗(yàn)分為兩組，第一組不作處理，為原始組；第二組在TC21試件表面采用超音速火焰噴涂的方法噴涂CuNiIn涂層，為涂層組。粉末采用 Amdry 500F，粒度為 10～50μm，制備的涂層厚度為0.10～0.20mm，磨削加工后粗糙度控制在0.8μm以下。微動磨損試驗(yàn)在FTM摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，微動磨損參數(shù)設(shè)定：法向載荷100N、磨損頻率10Hz、循環(huán)次數(shù)90000次、微動位移100μm；試驗(yàn)環(huán)境條件：室溫，濕度40%～50%。采用Amsler HFP 5000高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，按照HB 5287-96標(biāo)準(zhǔn)通過升降法測試樣的中值疲勞極限，試樣為φ7×100光滑漏斗形狀，如圖2所示，CuNiIn涂層噴涂在試樣的圓弧外側(cè)，未經(jīng)磨削，厚度0.1～0.2mm。加載條件為正弦波，頻率130Hz，應(yīng)力比R=-1，理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1。

利用DM6000M金相顯微鏡和DMH-2顯微硬度計(jì)測量涂層的孔隙率和硬度；利用Z100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測量涂層的結(jié)合強(qiáng)度；利用JB-5C粗糙度輪廓儀進(jìn)行磨痕二維輪廓觀察并計(jì)算磨損量；用ZISS掃描電子顯微鏡觀察磨損區(qū)域的表面微觀形貌。

圖1 微動磨損試樣尺寸Fig.1 Size of fretting wear samples

圖2 疲勞試件尺寸Fig.2 Size of fatigue sample

結(jié)果與討論

1 涂層的性能和對基體疲勞極限的影響

圖3為涂層截面金相照片，從圖中可以看出，涂層厚度約為100μm，均勻致密，存在少量尺寸微小的空洞（黑色部分），在涂層與基體的結(jié)合處可以看到一條很細(xì)的結(jié)合線（箭頭所示），但不明顯，通過定量金相的方法測得涂層的孔隙率小于1%，涂層與基體界面缺陷小于10%，顯微硬度平均值為322.6HV。用對偶拉伸法在Z100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測得涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度為55.03MPa，說明涂層與基體結(jié)合良好。這是因?yàn)榉勰┝６刃?，且HVOF噴涂的火焰溫度高，粉末充分熔化，流動性好，可以充分填充孔隙，故而孔隙率和界面缺陷較小，涂層硬度高；另外，HVOF噴涂的火焰噴射速度高，熔滴速度大，霧化效果好，以較大的動能沖擊在基體上，故而涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高。

圖3 涂層試樣的截面金相圖Fig.3 Cross section metallograph of coating sample

涂層對基體疲勞性能的影響是涂層能否應(yīng)用的重要因素之一。按照HB 5287-96進(jìn)行拉-壓疲勞試驗(yàn)，有無涂層的TC21鈦合金的測試結(jié)果如表1所示，循環(huán)次數(shù)達(dá)到1.00×107的試樣在實(shí)驗(yàn)過程中沒有發(fā)生斷裂，其他均在實(shí)驗(yàn)過程中斷裂。對第一次出現(xiàn)相反結(jié)果以前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如在以后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動范圍之內(nèi)則有效，否則舍棄，中值疲勞極限為：

式中：n為有效試驗(yàn)總次數(shù)；m為升降應(yīng)力水平級數(shù)；σi為第i級應(yīng)力水平；Vi為第i級應(yīng)力水平下的試驗(yàn)次數(shù)。經(jīng)計(jì)算：無涂層的TC21鈦合金試樣中值疲勞極限為462.5MPa，變異系數(shù)為3.12%，置信度為95%時(shí)，誤差限度為2.91%；有涂層的TC21鈦合金試樣的疲勞極限為423.2MPa，變異系數(shù)為4.65%，置信度為95%時(shí)，誤差限度為4.31%，滿足一般工程誤差要求（5%）[19]。噴涂涂層后基體疲勞極限降低8.5%，可知CuNiIn涂層對基體疲勞性能影響不大[20-23]。

2 磨痕的形貌分析

圖4為兩組試驗(yàn)的SEM圖，圖4（a）、（b）、（c）分別為原始組的 TC4-DT試樣磨損表面的50倍、500倍和5000 倍的 SEM 圖，圖 4（d）、（e）、（f）分別為涂層組TC4-DT試樣磨損表面的50倍、500倍和5000倍的SEM圖，從圖中可以看出兩組TC4-DT試樣的磨損表面形貌有很明顯的變化。從50倍SEM圖中可以看出劃痕沿著微動方向，與涂層組相比，原始組的磨損表面在磨損邊緣有許多黑點(diǎn)，為大尺寸的磨屑。從圖4（b）和（c）可以看出試樣磨損表面有長條狀的磨損臺階，但沒有產(chǎn)生明顯的粘著，存在大量的磨屑和磨坑，磨坑的面積小深度大，這是由于TC21比TC4-DT表面的硬度大，在微動磨損的過程中，TC21表面硬質(zhì)尖銳的微凸體對TC4-DT表面產(chǎn)生切削作用，經(jīng)過一次或者多次切削將TC4-DT表面材料切削掉，形成磨屑，磨屑在微動過程中不能立即從接觸表面排出，充當(dāng)磨粒對TC4-DT表面產(chǎn)生磨損。

表1 TC21鈦合金拉-壓疲勞測試結(jié)果

圖4 TC4-DT磨損表面微觀形貌Fig.4 Micrographs of wear surface of TC4-DT

由圖 4（e）和（f）可以看出磨損表面存在明顯的粘著，有面積較大的蝕坑，蝕坑的邊緣呈多層水波浪形臺階，根據(jù)脫層理論，在微動過程中，TC4-DT和CuNiIn涂層表面微凸體接觸發(fā)生冷焊作用，亞表面產(chǎn)生微裂紋，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，部分平行于表面的微裂紋相互連通，產(chǎn)生第一層磨屑和面積較大的磨坑，在磨坑平面上繼續(xù)產(chǎn)生磨屑，最終形成邊緣為多層狀的呈水波浪形的磨坑。TC21表面噴涂涂層后，TC4-DT的微動磨損機(jī)理發(fā)生了變化是因?yàn)镃uNiIn涂層易變形，與對磨面產(chǎn)生幾何匹配，發(fā)生粘著，同時(shí)In具有潤滑作用，在微動過程中向無涂層的TC4-DT表面轉(zhuǎn)移，減小TC4-DT的磨損。

3 摩擦系數(shù)和磨損體積

兩組試樣微動試驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)的變化如圖5所示，圖5（a）為原始組的TC4-DT微動磨損的動態(tài)摩擦系數(shù)，圖5（b）為涂層組的TC4-DT微動磨損的動態(tài)摩擦系數(shù)。從圖5（a）可以看出無涂層條件下，在開始試驗(yàn)的2000s內(nèi)，微動磨損的摩擦系數(shù)波動非常大，這個(gè)階段主要是切削磨損，TC21表面尖銳的微凸體對TC4-DT產(chǎn)生切削，故而摩擦系數(shù)波動較大，隨著切削的進(jìn)行，磨屑越來越多，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp，2000s之后，磨屑的產(chǎn)生和排出達(dá)到動態(tài)平衡，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，在0.6～0.7之間發(fā)生小的波動。

由圖5（b）可看出，涂層組的TC4-DT的摩擦系數(shù)與圖5（a）相比在整個(gè)試驗(yàn)過程中波動較大，由于CuNiIn涂層為軟潤滑涂層，試驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)較小，大部分時(shí)間摩擦系數(shù)在0.6以下。在微動初期，TC4-DT表面由于氧化膜的存在摩擦系數(shù)較小，隨著表面膜被破壞，TC4-DT與CuNiIn涂層接觸產(chǎn)生粘著，摩擦系數(shù)上升；隨著磨屑的產(chǎn)生和增多，粘著變小，摩擦系數(shù)降低；接著磨屑被排出，粘著又增加，摩擦系數(shù)上升，接觸面發(fā)生粘著磨損和磨粒磨損的交替作用導(dǎo)致摩擦系數(shù)的波動。

用JB-5C粗糙度輪廓測試儀測得兩組試驗(yàn)的TC4-DT試樣表面磨痕的二維形貌如圖6所示，磨損體積如表2所示。磨損體積是通過粗糙度輪廓測試儀間接測量的，分別在試樣的3個(gè)典型位置測量二維形貌，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin中，利用積分功能得到磨損區(qū)域界面的面積，取平均值。用千分尺測得磨損區(qū)域的長度，求得磨損區(qū)域的體積。從圖6（D為磨損深度，L為磨痕寬度）中可以看出，沒有涂層的情況下，TC4-DT表面磨損的深度是有涂層防護(hù)的2～3倍，經(jīng)過計(jì)算得到在TC21表面噴涂CuNiIn涂層對TC4-DT進(jìn)行防護(hù)后，TC4-DT的平均磨損體積從0.2mm3下降到了0.076mm3，磨損體積下降了62%，CuNiIn涂層的存在可以有效地降低TC4-DT的磨損量，達(dá)到防護(hù)作用。

圖5 TC4-DT摩擦系數(shù)Fig.5 Friction coefficient of TC4-DT

圖6 磨痕的二維輪廓Fig.6 Two-dimensional topography of abrasion

表2 磨損體積

結(jié)論

（1）利用超音速火焰噴涂技術(shù)在TC21試樣表面噴涂CuNiIn涂層可以有效提高TC4-DT鈦合金的抗微動磨損性能，且涂層對TC21試樣的疲勞性能影響不大，與TC4-DT試樣進(jìn)行微動試驗(yàn)后，TC4-DT試樣的磨損體積從噴涂涂層以前的0.2mm3下降到了0.076mm3，下降62%。

（2）在TC21試樣表面噴涂涂層后與TC4-DT試樣表面發(fā)生微動，TC4-DT試樣的微動磨損機(jī)理發(fā)生變化，無涂層時(shí)，TC4-DT試樣表面的微動磨損機(jī)理為切削磨損和磨粒磨損；噴涂涂層后，TC4-DT試樣表面的微動磨損機(jī)理為粘著磨損和磨粒磨損。

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