電脈沖輔助超聲滾壓處理鈦合金表面氧化層研究*

王保坤，王浩宇,2，紀仁杰，鄭 茜，董天聰，劉永紅

（1.中國石油大學（華東），青島 266580；2.青島鼎信通訊股份有限公司，青島 266109）

TC4鈦合金具有優(yōu)異的性能，如比強度高，耐腐蝕性好，性能穩(wěn)定等[1–3]，被廣泛應用在航空領域，是先進航空發(fā)動機葉片、盤件的重要結構部件材料[4–5]。但是TC4鈦合金表面易黏著，耐磨性差[6–8]，嚴重限制了它的使用性及應用范圍。

在高于500℃的環(huán)境中TC4鈦合金極易被氧化形成由TiO、TiO2、Al2O3等氧化物組成的氧化層及氧元素繼續(xù)深入形成的α相富氧層[9–10]。熱氧化處理是提高鈦合金磨損性能的一種改性方法，通過人為促進鈦的氧化，在表面形成氧化膜對表面提供保護[11–15]。氧對鈦合金具有顯著的固溶強化作用，氧化層的存在對于提高鈦合金耐磨性能有很大意義[16]。Chelliah等[17]研究鈦的干滑動磨損行為時指出，摩擦氧化層對鈦的干滑動磨損具有減緩作用；Dong等[18]發(fā)現(xiàn)經過熱氧化處理的TC4鈦合金在與超高分子量聚乙烯對磨中表現(xiàn)出優(yōu)秀的磨損性能，磨損率明顯降低。鈦合金的氧化膜結構直接影響其耐磨性能[6]，如何簡單有效地形成均勻致密的氧化層仍然是一個待解決的問題。

電脈沖輔助超聲滾壓技術是一種新興的表面處理方法，它能夠使金屬材料表面晶粒細化，形成梯度結構強化層，顯著提高材料宏觀力學性能。Ji等[19–20]利用電脈沖輔助超聲滾壓處理鎳基高溫合金改善了其摩擦磨損性能。Ye[21]、Wang[22]和Liu[23]等用電脈沖輔助滾壓處理了鈦合金、低碳鋼和不銹鋼。Ye等[24]對純鈦進行了電脈沖輔助超聲滾壓處理，從而降低了摩擦系數(shù)和磨損量。但是利用這種方法對表面氧化層進行改性還未見相關研究報道。

本研究旨在利用電脈沖輔助超聲滾壓處理技術對TC4鈦合金表面氧化層進行處理，并對處理后材料耐磨性進行分析和機理研究。

試驗及方法

本試驗所用材料為雙重退火態(tài)TC4鈦合金棒料，直徑為40mm，其成分（質量分數(shù)）由能譜掃描測定，如表1所示。表面經熱處理過程氧化生成厚約120μm的氧化層，如圖1所示，包括疏松氧化層和富氧α相層。

圖1 TC4鈦合金棒料截面SEM圖Fig.1 SEM image of cross section of TC4 titanium alloy bar

表1 TC4鈦合金元素含量（質量分數(shù)）Table 1 TC4 titanium alloy element content（mass fraction）%

對熱處理后的鈦合金棒料進行電脈沖輔助超聲滾壓處理，圖2是電脈沖輔助超聲滾壓處理原理圖及設備實物圖。處理設備主要由脈沖電源、超聲信號發(fā)生器、空氣壓縮機、超聲處理裝置和機床組成。處理過程中試樣夾持在車床三爪卡盤上并隨主軸轉動，脈沖電流由脈沖電源產生，經上下兩側碳刷加載到試樣圓柱面上，超聲設備尖端以指定氣缸靜壓力擠壓試樣，同時軸向進給。在電脈沖輔助超聲滾壓處理過程中，利用脈沖電流的電塑性效應提高材料表面塑性，同時超聲工具頭對試樣表面進行超聲滾壓處理。

圖2 電脈沖輔助超聲滾壓處理原理圖及設備實物圖Fig.2 Schematic diagram and equipment physical picture of electropulsing-assisted ultrasonic rolling

針對TC4鈦合金的物理屬性、加工質量和效率，選取合適的處理參數(shù)。在電脈沖輔助超聲滾壓處理過程中，工具頭選用直徑6mm氮化硅陶瓷滾珠，選取車床轉速24r/min，進給速度0.12mm/r，超聲頻率25kHz，超聲振幅8μm，加工道次為4道，氣缸靜壓力保持600N，脈沖電流頻率設置1000Hz，電脈沖峰值電流取400A。利用相同參數(shù)下僅超聲滾壓處理試樣與400A電流條件下處理試樣做對比。

試樣加工前后表層截面組織形貌使用金相顯微鏡（LW200–4CS）進行觀察。使用HVS–1000Z顯微硬度計進行顯微硬度測量，摩擦磨損檢測使用直線往復式摩擦磨損測試儀CETR–UMT–3MO進行，使用JXA–8230電子探針儀對磨損試樣表面形貌進行觀測。

結果與討論

1 表層截面金相組織分析

圖3是TC4鈦合金經僅超聲滾壓和400A電脈沖輔助超聲滾壓處理后的截面金相組織圖，腐蝕劑成分為HF∶HNO3∶H2O=1∶4∶15。由圖3（a）可知，對雙重退火態(tài)TC4鈦合金進行僅超聲滾壓處理后，表面氧化層（疏松氧化層和富氧α相層）厚度由圖1所示處理前的120μm變?yōu)?5μm，整體壓縮約35μm，表層存在較多缺陷，例如凹坑（圖3（a）中Ⅰ）、裂紋（圖3（a）中Ⅱ）和凸起（圖3（a）中Ⅲ）。由于表面氧化層硬度高，塑性差，僅超聲滾壓處理對表面沖擊不足，導致整體變形受限。

試樣經峰值電流400A的電脈沖輔助超聲滾壓處理后，表面形成約11μm厚的致密α相氧化層，如圖3（b）所示。在處理過程中，由于氮化硅滾珠對材料表面存在切向力，疏松氧化層出現(xiàn)一定程度的剝落，剩余部分疏松氧化層同富氧α相層在滾壓過程中被壓縮。處理后表面120μm氧化層被整體壓縮至11μm，而且表層組織致密、均勻，表面平整，缺陷少。致密α相氧化層之上為β相層。由于表面氧化層硬度高于鈦合金內部基體，原本鈦合金細長條狀β相在靠近致密α相氧化層部位被拉扯，發(fā)生劇烈形變，在表面致密α相氧化層至50μm左右形成了與鈦合金軸向平行的細條狀β相。隨著深度增加，復合處理影響逐漸減小，呈現(xiàn)出基體的網狀β相組織。

圖3 不同處理方式試樣截面金相圖Fig.3 Metallographic diagrams of cross section of specimens with different peak pulse current assisted ultrasonic rolling treatment methods

2 耐磨性分析

直線往復磨損試驗后，不同處理方式試樣磨損量和表面顯微硬度如圖4所示。未處理試樣表面因氧化層存在硬度較高，但疏松的氧化層造成了大的磨損量。車削試樣表面氧化層完全去除，硬度最低。僅超聲滾壓處理試樣與未處理試樣、車削試樣相比，表面硬度提高，磨損量降低。而經峰值電流400A處理后，試樣表面硬度最高、磨損量最小，磨損量約為車削試樣的一半。

圖4 不同處理方式試樣磨損量與表面硬度圖Fig.4 Wear and surface hardness of the samples in different treatments

直線往復磨損試驗各試樣摩擦系數(shù)曲線如圖5所示。車削試樣呈普通摩擦系數(shù)曲線形式，未處理試樣、僅超聲滾壓試樣和400A電脈沖輔助超聲滾壓試樣在摩擦初期摩擦系數(shù)較低，隨后迅速升高并逐漸穩(wěn)定。低摩擦系數(shù)階段形成的原因是3種試樣表面存在的高硬度氧化層能在磨擦過程中提供保護作用。試樣經400A電脈沖輔助超聲滾壓處理后表面形成致密α相氧化層，其表層致密均勻，表面完整性好，缺陷少，所以與未處理試樣、僅超聲滾壓試樣相比，能維持更長時間的低摩擦系數(shù)。氧化層一旦被破壞，摩擦系數(shù)迅速升高，而且由于表面硬度高，基體硬度低，破損的試樣表面氧化層增大平穩(wěn)磨損階段試樣摩擦系數(shù)，所以平穩(wěn)階段這3種試樣摩擦系數(shù)高于車削試樣。摩擦系數(shù)穩(wěn)定后，車削試樣摩擦系數(shù)最小，約為0.36；峰值電流400A處理試樣摩擦系數(shù)約為0.49，而未處理試樣和僅超聲滾壓處理試樣摩擦系數(shù)較大，約為0.57。

圖5 不同處理方式試樣摩擦系數(shù)Fig.5 Friction coefficient of the samples with different treatment methods

不同處理方式下試樣表面磨痕形貌如圖6所示。未處理試樣磨損表面顯示出差的耐磨損性能，如圖6（a）和（b）所示。在磨損表面可以觀察典型犁溝狀磨損，表面存在大量磨粒和材料剝落，犁溝狀磨損邊緣存在塑性變形。其中有數(shù)量眾多的細小犁溝和一個寬且深的大犁溝。大犁溝兩端有許多磨屑堆積，同時犁溝中部散落大量白色顆粒。僅超聲滾壓處理試樣磨損表面同樣觀察到眾多細小犁溝與一條粗大犁溝的現(xiàn)象，如圖6（c）和（d）所示。細小犁溝數(shù)量以及粗大犁溝寬度值明顯小于未處理試樣磨損表面，同時白色磨粒數(shù)量減少。圖6（e）和（f）所示為峰值電流400A電脈沖輔助超聲滾壓處理試樣，磨損表面犁溝淺，磨損均勻，白色磨粒少，表面表現(xiàn)出好的磨損性能。磨損表面犁溝主要是由于試樣表面材料剝落，形成高硬磨屑，在工件與壓頭對磨過程中破壞材料表面造成。圖6（g）和（h）是車削試樣磨損表面，車削磨損表面白色磨粒較少，同樣的犁溝數(shù)量較少。這是由于車削去除鈦合金表面富氧α相層后，車削試樣表面硬度分布均勻，不會產生高硬磨屑，犁溝數(shù)量少。但由于表層硬度低，磨損表面發(fā)生塑性變形。

圖6 不同處理方式試樣磨痕形貌Fig.6 Wear scar morphology with different treatment methods

經峰值電流400A電脈沖輔助超聲滾壓處理后試樣磨損量最低，摩擦系數(shù)小，磨損表面磨粒少，表面平整，犁溝少。證明峰值電流400A電脈沖輔助超聲滾壓處理后形成的致密氧化層具有優(yōu)秀的摩擦磨損性能，與僅超聲滾壓和車削等方式相比，進一步提高了TC4鈦合金表面性能。

3 致密氧化層形成機理

致密氧化層的形成是電塑性效應、電熱效應和超聲沖擊共同作用的結果。脈沖電流的電塑性效應使表面氧化層塑性提高、硬度降低，而脈沖電流的電熱效應會使試樣處理位置溫度升高，有利于降低表面氧化層變形應力。在處理過程中，由于超聲滾珠對試樣表面切向力的存在，導致少部分疏松氧化層隨工件旋轉剝落，同時超聲滾壓產生大的法向接觸壓力，隨超聲振動周期性沖擊加工位置，加工位置表面氧化層產生劇烈的塑性形變，形成高密度位錯，團簇狀α晶粒解聚，粗大晶粒逐漸細化。隨著加工道次的增加，表面氧化層逐漸變薄且致密，最終形成表面致密α相層。此外，脈沖電流使樣品中的原始微裂紋和組織缺陷逐漸愈合或減少，從而使表面氧化層結構在處理后更加致密和均勻。

結論

對雙重退火態(tài)TC4鈦合金進行電脈沖輔助超聲滾壓處理，并對處理后表面性能進行檢測分析，得到以下結論。

（1）經電脈沖輔助超聲滾壓處理后，鈦合金表面120μm的疏松氧化層和富氧α相層被去除、壓縮，形成11μm均勻致密氧化層，開拓了制備致密氧化層的新途徑。

（2）400A條件下處理后形成的致密氧化層表現(xiàn)出優(yōu)秀的耐磨損性能，磨損量為車削試樣的一半，能夠維持較長時間的低摩擦系數(shù)，磨損表面磨粒少、表面平整、犁溝少。