微弧氧化對(duì)TC4鈦合金微動(dòng)磨損行為的影響

俞樹(shù)榮，馬邦豪，宋 偉，何燕妮，景鵬飛，塵 強(qiáng)

(蘭州理工大學(xué), 甘肅 蘭州 730050)

微動(dòng)是指名義上靜止的兩接觸體表面在振動(dòng)工況下(如疲勞載荷、機(jī)械振動(dòng))發(fā)生的極小振幅的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[1]，其振幅為微米量級(jí)(一般小于300 μm)，普遍存在于航天航空、化工設(shè)備、核電能源等眾多領(lǐng)域。微動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)械配合件造成形式復(fù)雜且具有隱蔽性的損傷[2]，造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失，影響構(gòu)件的安全性和可靠性，已成為大量關(guān)鍵零部件失效的主要原因之一[3-5]。

鈦合金因其密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性良好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在眾多工程領(lǐng)域[6]，然而由于硬度低、抗疲勞性能差、耐磨性較差等原因，使其對(duì)微動(dòng)損傷十分敏感。有研究表明，微動(dòng)作用可使鈦合金疲勞極限降低20%～50%，嚴(yán)重影響其使用壽命，給實(shí)際工程應(yīng)用帶來(lái)危害[6-8]。近些年，為提高鈦合金表面性能出現(xiàn)了較多的表面改性方法[9，10]，其中微弧氧化技術(shù)是通過(guò)電解液與相應(yīng)電參數(shù)組合，在金屬表面原位生長(zhǎng)出以基體金屬氧化物為主的陶瓷涂層。如劉百幸等人[9]研究了微弧氧化膜的磨損性能及失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在干摩擦和油潤(rùn)滑環(huán)境下，剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力分別是導(dǎo)致膜層失效的主要因素，采取有效潤(rùn)滑可提高膜層的使用壽命；楊力等人[11]研究了不同合金表面微弧氧化膜層的硬度及磨損形貌，發(fā)現(xiàn)TA1和TC10鈦合金表面微弧氧化膜層的抗磨特性優(yōu)于TC4鈦合金表面微弧氧化膜層；齊玉明等人[12]研究了鈦合金表面高硬度微弧氧化膜的耐磨性，發(fā)現(xiàn)采用高濃度鋁酸鹽電解液制備的微弧氧化膜具有較高硬度，在滑動(dòng)干摩擦條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。由于微弧氧化工藝操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保，且生成的陶瓷層具有高耐磨性、良好的耐腐蝕性以及與基體結(jié)合緊密等特點(diǎn)，成為耐磨性、耐蝕性防護(hù)等領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[13-16]，但應(yīng)用于微動(dòng)損傷防護(hù)領(lǐng)域中的研究較少。實(shí)驗(yàn)選用應(yīng)用較廣的TC4鈦合金材料，通過(guò)微弧氧化技術(shù)在其表面制備陶瓷層，探究TC4鈦合金在微弧氧化前后表面形貌及摩擦系數(shù)等變化，分析氧化陶瓷層對(duì)TC4鈦合金抗微動(dòng)損傷性能的影響，從而為鈦合金抗微動(dòng)損傷設(shè)計(jì)提供理論支持與實(shí)際參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

截取φ24 mm×7.8 mm的TC4鈦合金圓柱試樣，表面用SiC水磨金相砂紙進(jìn)行逐級(jí)打磨，再用粒度為0.04 μm的SiO2拋光液進(jìn)行拋光，使其表面粗糙度Ra在0.03～0.04 μm之間。拋光試樣用丙酮溶液在超聲波清洗器中清洗，并用乙醇洗干凈以備微弧氧化試驗(yàn)。

采用微弧氧化法在TC4鈦合金試樣表面制備微弧氧化陶瓷層，試驗(yàn)中陽(yáng)極選用已制備好的TC4鈦合金，陰極為電解池。電解液采用磷酸鹽溶液，配置過(guò)程：在燒杯中準(zhǔn)備1600 mL去離子水，根據(jù)電解液濃度計(jì)算Na3PO4質(zhì)量，并加入去離子水中攪拌至溶解，再加入適量乙酸將pH調(diào)至10～11之間。在試驗(yàn)過(guò)程中相應(yīng)的電參數(shù)：電源頻率為500 Hz，電壓為450 V，時(shí)間為30 min。

以球-平面接觸方式, 采用德國(guó)Optimol公司制造的SRV-IV微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn)。摩擦副上試樣選用φ10 mm的GCr15鋼球，下試樣為T(mén)C4鈦合金，上、下試樣化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。試驗(yàn)參數(shù)：法向載荷為10 N，頻率為25 Hz，位移幅值分別為80、150 μm，循環(huán)次數(shù)為45 000次，在室溫下摩擦30 min。微動(dòng)磨損試驗(yàn)完成后，用QUANTA FEG 450場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察TC4基體和微弧氧化陶瓷層的表面磨損形貌。摩擦系數(shù)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集得到。用OLYMPUS OLS 5000 3D激光共聚焦顯微鏡(LSCM)測(cè)量磨損量和磨痕深度曲線。

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

表2 TC4和GCr15主要力學(xué)性能Table 2 Main mechanical properties of TC4 and GCr15

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦系數(shù)

圖1為T(mén)C4基體和微弧氧化膜層在位移幅值D分別為80、150 μm下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。從圖1可以看出，摩擦系數(shù)可分為3個(gè)階段：快速上升期，波動(dòng)期，穩(wěn)定期。

由圖1a可知，位移幅值為80 μm時(shí)，初始階段即200 s前，TC4基體表面與對(duì)磨材料接觸面積較小，摩擦力也小，但隨著摩擦的進(jìn)行，基體表面膜受擠壓摩擦的作用被迅速破壞和去除，金屬基體接觸面積增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)快速上升[17]；在300～700 s之間，摩擦系數(shù)處于波動(dòng)狀態(tài)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒不斷地剝落，磨痕表面形成具有阻隔作用的第三體層在微動(dòng)擠壓作用下逐漸發(fā)生細(xì)化，但第三體的產(chǎn)生與接觸表面的溢出保持動(dòng)態(tài)平衡，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。微弧氧化膜層的摩擦系數(shù)在磨損初期較小，300 s前隨著表面膜逐漸破裂，摩擦副發(fā)生直接接觸使摩擦系數(shù)快速上升；300～900 s時(shí)摩擦系數(shù)屬于波動(dòng)狀態(tài)而后便趨于穩(wěn)定；由于微弧氧化膜層表面比較粗糙，所以與TC4基體相比，同時(shí)間段微弧氧化膜層摩擦系數(shù)大；但在1600～1700 s時(shí)，摩擦系數(shù)明顯下降，考慮是對(duì)磨材料或剝落顆粒填充到微弧氧化膜層微孔凹陷處，與壓實(shí)氧化層的形成有關(guān)[18]。微弧氧化膜層的平均摩擦系數(shù)為0.811，略高于TC4基體(0.773)。

圖1 不同位移幅值下TC4基體和微弧氧化膜層摩擦系數(shù)變化曲線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

由圖1b可知，在位移幅值為150 μm時(shí)，微動(dòng)初始階段摩擦系數(shù)快速上升，在200～600 s之間，塑性變形—粘著—粘著斷裂—再粘著過(guò)程反復(fù)出現(xiàn)，摩擦系數(shù)一直處于波動(dòng)狀態(tài)，呈現(xiàn)出類似于鋸齒的形狀。隨后接觸面三體作用增強(qiáng)，摩擦系數(shù)略微回落且逐漸穩(wěn)定，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，磨屑的產(chǎn)生和排出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，摩擦系數(shù)相對(duì)趨于穩(wěn)定。微弧氧化膜層平均摩擦系數(shù)(0.727)低于TC4基體的平均摩擦系數(shù)(0.761)，這是由于此條件下磨損過(guò)程中疏松層剝落的顆粒嵌入微弧氧化膜層微孔中，使膜層表面變的平整，磨面摩擦氧化物的出現(xiàn)對(duì)摩擦系數(shù)變化也會(huì)產(chǎn)生一定的影響[19]。相比于80 μm時(shí)，位移幅值為150 μm微動(dòng)循環(huán)中微弧氧化陶瓷層的摩擦系數(shù)減小，低于TC4基體的平均摩擦系數(shù)，這是由于增大位移幅值，微動(dòng)由混合區(qū)進(jìn)入完全滑移區(qū)，此時(shí)由彈性協(xié)調(diào)變形向滑移轉(zhuǎn)變，摩擦系數(shù)峰值降低。

2.2 磨損量與磨損率

TC4基體和微弧氧化膜層耐磨性能用磨損量及磨損率來(lái)衡量[20，21]。磨損量用OLYMPUS OLS 5000 3D激光共聚焦顯微鏡測(cè)得, 磨損率由(1)式得：

(1)

式中：K為磨損率，μm3/(N·μm)；V為磨損量，μm3；N為微動(dòng)循環(huán)次數(shù)；D為位移幅值，μm；F為法向載荷，N。

圖2為不同位移幅值下TC4基體與微弧氧化膜層的磨損量與磨損率。由圖2a可知，當(dāng)法向載荷一定時(shí)，位移幅值增加后磨損量隨之增加；由圖2b可知，位移幅值增加后磨損率也隨之增大，微弧氧化膜層的磨損率曲線斜率大于TC4基體磨損率曲線，這與微弧氧化膜層的疏密程度不均勻/表面粗糙或孔徑大小有關(guān)；在相同的位移幅值下，基體的磨損量和磨損率均大于微弧氧化陶瓷涂層。位移幅值為80 μm時(shí)，微動(dòng)處于混合區(qū)，快速滑動(dòng)產(chǎn)生的磨屑難以排出而積聚在一起，其磨損區(qū)域面積較小，對(duì)材料和對(duì)磨球之間的接觸起到隔離的作用，積聚的磨屑對(duì)微動(dòng)起緩沖作用，此時(shí)TC4基體的磨損量及磨損率約為微弧氧化膜層的1.4倍；位移幅值增大到150 μm時(shí)，微動(dòng)狀態(tài)處于完全滑移區(qū)，摩擦長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，微動(dòng)磨損區(qū)域變大，快速滑動(dòng)產(chǎn)生的磨屑容易排出，造成金屬與金屬間接觸加劇，磨損增大，材料損失更為嚴(yán)重。位移幅值D=150 μm時(shí)，兩者磨損量明顯變大，而微弧氧化陶瓷層的磨損量?jī)H為T(mén)C4基體的70%。

圖2 不同位移幅值下TC4基體與微弧氧化膜層的磨損量和磨損率Fig.2 Wear volume(a) and wear rate(b) of TC4 substrate and micro-arc oxide film at different displacement amplitudes

圖3為位移幅值為80 μm時(shí)TC4基體和微弧氧化膜層的磨痕三維形貌和磨痕深度曲線。由圖3a、b可以看出，在D=80 μm時(shí)，微弧氧化膜層微動(dòng)磨損面積小于鈦合金基體，第三體起到固體潤(rùn)滑的作用，磨損坑淺。由圖3c可知，微弧氧化膜層磨痕深度較小，與磨損量趨勢(shì)一致。圖4為D=150 μm時(shí)TC4基體和微弧氧化膜層的磨痕三維形貌和磨痕深度曲線。由圖4可知，位移幅值增大后，TC4基體與微弧氧化膜磨痕深度明顯增大。一方面，在位移幅值較大時(shí)，微動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱促進(jìn)接觸區(qū)氧化反應(yīng)進(jìn)行，加速氧化膜的形成；另一方面，隨微動(dòng)磨損的進(jìn)行，表面氧化膜二次破裂和形成的時(shí)間間隔延長(zhǎng)，造成氧化膜破壞[22]。氧化膜形成—破壞的過(guò)程不斷重復(fù)，磨損嚴(yán)重，加劇材料的流失，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總是小于TC4基體。由磨損量、磨損率、磨痕三維形貌及磨痕深度曲線得出：在相同位移幅值下，微弧氧化膜層磨損量均小于TC4基體，磨損率也較小，磨痕深度也較淺，因而微弧氧化膜層改善了TC4基體的耐磨性，減弱磨損效果明顯[9.23，24]。

圖3 位移幅值為80 μm時(shí)磨痕的LSCM測(cè)試結(jié)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

圖4 位移幅值為150 μm時(shí)磨痕的LSCM測(cè)試結(jié)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 磨損表面形貌及磨損機(jī)制

圖5為T(mén)C4基體與微弧氧化膜層表面形貌。圖5a為T(mén)C4基體表面形貌，可以看到顯微組織由α+β相組成，灰色的是α相，白色的為晶界β相，所占體積分?jǐn)?shù)分別約為60%和40%[25]；圖5b、5c為微弧氧化膜層表面形貌，粗糙的表面是由于反應(yīng)時(shí)熔融的放電通道在冷卻過(guò)程中收縮不勻而形成凹凸不平的形態(tài)[11]，表面孔洞的尺寸也在一定程度上影響了膜層整體的均勻性和粗糙度[10-12]。從圖5c可以看出，微弧氧化膜層中存在許多細(xì)小的顯微孔洞，這是微弧氧化過(guò)程中反應(yīng)區(qū)與反應(yīng)物排出的通道[26]。

圖5 TC4基體和微弧氧化膜層的表面形貌Fig.5 Surface morphologies of TC4 substrate (a) and micro-arc oxide film (b，c)

圖6a～6c為T(mén)C4基體在D=80 μm時(shí)的表面磨損形貌。由圖6a可以看出，磨痕中心位置有片狀脫落，表面遍布大量磨屑，考慮是第三體層破裂所致；圖6b表面呈現(xiàn)出典型的粘著磨損特征，可看到具有層狀結(jié)構(gòu)的舌形楔，其反映出塑性變形和撕裂的特征，同時(shí)觀察到沿微動(dòng)方向的犁溝形貌[27，28]。圖6c表面可觀察到松散的磨屑、脫落的片狀材料，此時(shí)易萌生裂紋，誘發(fā)疲勞的產(chǎn)生。圖6d～6f為微弧氧化層D=80 μm時(shí)的表面磨損形貌。從圖6e可見(jiàn)，在摩擦力的作用下材料剝離而產(chǎn)生了磨粒，在磨粒摩擦磨損的過(guò)程中，膜層表面沿微動(dòng)方向產(chǎn)生明顯的犁溝，形成磨粒磨損；混合區(qū)產(chǎn)生的磨屑一部分排出，一部分則堆積粘著。從圖6f可以看出，微弧氧化膜層出現(xiàn)大范圍黑色光滑區(qū)和少量剝落坑和裂紋，微弧氧化的光滑區(qū)即為含有摩擦氧化物膜層。綜上所述，在位移幅值為80 μm時(shí)，TC4基體磨損機(jī)制以粘著磨損和磨粒磨損為主，微弧氧化膜層磨損機(jī)制以氧化磨損為主，并伴有磨粒磨損。

圖6 位移幅值為80 μm時(shí)TC4基體和微弧氧化膜層的表面磨損形貌Fig.6 Wear morphologies of TC4 substrate (a～c) and micro-arc oxide film (d～f) at displacement amplitude of 80 μm

圖7a～7c為T(mén)C4基體在D=150 μm時(shí)表面磨損形貌。由圖7b、7c可知，位移幅值增大后，微動(dòng)磨損區(qū)域變大，此時(shí)微動(dòng)處于完全滑移區(qū)，快速滑動(dòng)產(chǎn)生的磨屑有一部分被推擠出接觸區(qū)，使得基體與對(duì)磨球接觸增大，摩擦熱也增大，氧化膜形成—破壞過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，使得氧化磨損進(jìn)一步加??；相對(duì)滑動(dòng)更加劇烈，裂紋在更深的亞表層萌生，進(jìn)一步向表面擴(kuò)展，與表面裂紋匯合，造成更嚴(yán)重的疲勞脫層，在材料表面以較大片層的形式脫落，因而在圖7c中可以觀察到更大更深的剝落坑。圖7d～7f為微弧氧化膜層在D=150 μm時(shí)的磨損表面形貌。圖7d、7f表面有沿微動(dòng)方向的犁溝形貌，這是由于微弧氧化膜層具有較高的粗糙度，凸起部位先被磨平，一部分形成的磨粒鑲嵌到膜層孔洞中，一部分破壞脫落而被碾壓成硬質(zhì)顆粒發(fā)生機(jī)械切削形成犁溝；圖7e可以觀察到材料發(fā)生裂紋形核，在切應(yīng)力作用下，裂紋擴(kuò)展，使材料發(fā)生層狀剝落，形成較深的剝落坑，同時(shí)看到黑色層覆蓋，磨損表面出現(xiàn)黑色區(qū)，這是氧化磨損的典型特征；由于微弧氧化表面改性技術(shù)所用電解液為堿性體系，較酸性體系而言放出的氣體少[29]，膜層表面的孔徑也小，但是裂紋多。從圖7e也可以觀察到較多的裂紋。綜上所述，位移幅值D=150 μm時(shí)，TC4基體磨損機(jī)制為疲勞磨損和氧化磨損，微弧氧化膜層磨損機(jī)制以氧化磨損為主并伴有磨粒磨損。

圖7 位移幅值為150 μm時(shí)TC4基體和微弧氧化膜層的表面磨損形貌Fig.7 Wear morphologies of TC4 substrate (a～c) and micro-arc oxide film (d～f) at displacement amplitude of 150 μm

3 結(jié) 論

(1)相同位移幅值下，TC4基體與微弧氧化陶瓷層摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)相同，為快速上升期—波動(dòng)期—穩(wěn)定期；位移幅值較小時(shí)，摩擦系數(shù)大且波動(dòng)大；位移幅值較大時(shí)，摩擦系數(shù)波動(dòng)較小，兩者平均摩擦系數(shù)降低。

(2)在位移幅值為80 μm時(shí)，TC4基體的磨損機(jī)制以粘著磨損和磨粒磨損為主，微弧氧化陶瓷層磨損機(jī)制以氧化磨損為主；在位移幅值為150 μm時(shí)，TC4基體的磨損機(jī)制為疲勞磨損和氧化磨損，微弧氧化陶瓷層磨損機(jī)制以氧化磨損為主并伴有磨粒磨損。

(3)TC4基體及微弧氧化陶瓷層的磨損量、磨損率與位移幅值相關(guān)；相同位移幅值下，微弧氧化陶瓷層磨損量、磨損率均小于TC4基體，磨痕深度曲線也較淺。在微動(dòng)磨損過(guò)程中，經(jīng)微弧氧化處理的鈦合金構(gòu)件表面生成的陶瓷質(zhì)氧化膜能夠有效地保護(hù)材料基材免受磨損的破壞，進(jìn)而提高鈦合金基體的耐磨性。