鈦合金傳動花鍵軸表面硬化涂層磨損性能測試

■ 魯雄 王帥/中國航發(fā)動研所 林松盛/廣東省科學院新材料研究所 趙廣 王重陽/大連理工大學

針對鈦合金動力傳動花鍵軸的表面硬度及耐磨性能不足問題，開展鈦合金試件和模擬花鍵接頭不同表面耐磨涂層制備及性能測試的試驗研究，對鈦合金花鍵表面耐磨涂層的選取及其耐磨性能的試驗驗證工作具有一定的參考價值。

動力傳動花鍵軸是直升機傳動系統(tǒng)的主要部件之一，其功能是將發(fā)動機的功率和轉(zhuǎn)速傳遞給主減速器，并適應(yīng)發(fā)動機與主減速器之間因制造、安裝及直升機飛行姿態(tài)改變等帶來的軸向或角向偏載。動力傳動花鍵軸與發(fā)動機輸出軸一般采用浮動花鍵連接，要求具有較高的耐磨性能，通常采用滲碳鋼制備。直升機在沿海地區(qū)執(zhí)行飛行任務(wù)時，鋼制花鍵軸容易出現(xiàn)涂層剝落或銹蝕問題，影響使用壽命。鈦合金作為一種高比強度、防腐性能優(yōu)良的材料，在航空發(fā)動機及傳動系統(tǒng)上獲得了越來越廣泛的應(yīng)用[1-7]。采用鈦合金材料（如TC4、TC6等）設(shè)計動力傳動花鍵軸，不僅可以提高花鍵軸的防腐性能，也大大減輕了花鍵軸的質(zhì)量。但其耐磨性能不能滿足壽命要求，如何提高鈦合金花鍵表面的耐磨性能成為制約該項技術(shù)發(fā)展的瓶頸。硬質(zhì)涂層具有高硬度、高彈性模量、優(yōu)良的耐磨損性能，主要有碳基涂層（如類金剛石DLC）和氮化物涂層（CrN、TiN）等，利用真空鍍膜技術(shù)在花鍵軸表面沉積硬質(zhì)耐磨涂層是解決鈦合金花鍵表面耐磨性能不足的有效途徑之一。

涂層制備與性能測試

本文選用3種耐磨涂層（DLC、CrN、TiN）開展鈦合金試件表面鍍膜，通過性能測試和鍍膜試件的磨損性能試驗對比，選擇合適的涂層開展鈦合金花鍵接頭表面鍍膜，通過花鍵接頭摩擦磨損試驗，驗證所選涂層能否滿足鈦合金花鍵表面的耐磨性能要求。

涂層鍍膜

選用TC4作為鈦合金基體材料，采用多技術(shù)復(fù)合真空鍍膜設(shè)備沉積DLC涂層，如圖1（a）所示，由于DLC膜層硬度很高，而鈦合金基體又偏軟，為有效提高膜層的結(jié)合強度，在基體與DLC層之間沉積硬度梯度過渡層，以協(xié)調(diào)DLC層與基體之間結(jié)構(gòu)和物理性能的錯配。

采用電弧離子鍍技術(shù)制備CrN、TiN硬質(zhì)薄膜，如圖1（b）和圖1（c）所示，在鈦合金試件表面沉積CrN、TiN薄膜時，仔細清除試件基材表面的油污或其他污染物，漏出基材新鮮表面，合理控制氮氣流量，在試件表面均勻沉積CrN、TiN薄膜。

圖1 鍍膜鈦合金試件

涂層性能測試

分別對鈦合金試件表面涂覆的DLC、CrN、TiN涂層進行硬度、厚度及結(jié)合力的測試。

對鍍膜后的隨爐鈦合金試件進行硬度測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 硬度對比表

對鍍膜后的隨爐鈦合金試件進行切割、鑲樣、磨拋，經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察，厚度截面照片如圖2所示。

圖2 涂層厚度

對表面沉積3種涂層的鈦合金試件分別進行劃痕試驗，測得的結(jié)合力如表2所示。

表2 結(jié)合力對比表

通過對表面沉積有DLC、CrN、TiN涂層的鈦合金試件進行硬度、厚度及結(jié)合力的測試表征，3種涂層均勻致密，與鈦合金基材結(jié)合良好。經(jīng)涂層處理后的鈦合金試件，可進一步通過微動磨損試驗來比較摩擦學性能。

耐磨涂層磨損試驗

分別對表面涂覆DLC、CrN、TiN涂層的鈦合金試件，開展不同載荷、溫度和潤滑條件的磨損性能測試。本文磨損性能的對比主要從磨損系數(shù)的差異進行分析，磨損系數(shù)定義為單位負荷作用下滑動單位距離所引起的體積磨損，考慮到磨損體積量測試數(shù)值較小，為便于表征，將磨損系數(shù)的定義為K×10-17m3/(N·m)。

載荷對磨損系數(shù)影響

針對TC4基體、DLC、CrN、TiN涂層試件，統(tǒng)計載荷對磨損系數(shù)的影響如表3所示。

表3 載荷對磨損系數(shù)的影響

磨損系數(shù)測試結(jié)果綜合對比表明：各類涂層磨損系數(shù)隨載荷增大而總體下降，TC4磨損系數(shù)最大，DLC磨損系數(shù)最小，CrN磨損系數(shù)較小。各載荷下，磨損系數(shù)平均值由大到小順序為TC4、TiN、CrN、DLC。

溫度對磨損系數(shù)的影響

針對TC4基體、DLC、CrN、TiN涂層試件，統(tǒng)計溫度環(huán)境對磨損系數(shù)的影響如表4所示。

表4 溫度對磨損系數(shù)的影響

磨損系數(shù)測試結(jié)果綜合對比表明：溫度對磨損系數(shù)具有一定影響，總體而言，所有表面處理的磨損系數(shù)均隨溫度升高而升高，DLC受影響較??；各溫度下，DLC的磨損系數(shù)平均值較CrN、TiN的要小，受影響最大的涂層是TiN，TC4基體的磨損系數(shù)非常大。

潤滑對磨損系數(shù)的影響

針對TC4基體、DLC、CrN、TiN涂層試件，統(tǒng)計潤滑條件對磨損系數(shù)的影響如表5所示。

表5 潤滑對磨損系數(shù)的影響

磨損測試結(jié)果綜合對比表明：潤滑對磨損系數(shù)影響很大，無潤滑條件下的磨損系數(shù)遠大于有潤滑條件的磨損系數(shù)，所有表面處理方式對于潤滑條件都很敏感，CrN對潤滑條件的敏感程度最低，TiN對潤滑條件敏感程度最高。

通過綜合對比不同載荷、溫度和潤滑條件下3種鈦合金試件表面涂層的磨損性能，DLC和CrN涂層在性能穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更優(yōu)。

鈦合金花鍵表面硬化涂層技術(shù)

本文研究的鈦合金花鍵表面硬化涂層技術(shù)主要是利用物理氣相沉積方法在花鍵表面沉積硬質(zhì)涂層。物理氣相沉積技術(shù)是在真空中將金屬、合金或化合物進行蒸發(fā)、濺射或離化，使其在被涂覆的物體表面凝固并沉積的方法，鍍膜過程不產(chǎn)生廢液和有毒有害氣體，是一種清潔、綠色、無污染的表面強化技術(shù)?；ㄦI的主要設(shè)計參數(shù)如表6所示。

表6 花鍵主要設(shè)計參數(shù)

涂層鍍膜

結(jié)合鈦合金試件的涂層性能和磨損性能測試結(jié)果，基于鈦合金試件的鍍膜經(jīng)驗對鈦合金花鍵開展DLC和CrN涂層鍍膜。

首先，對花鍵接頭的鍍膜區(qū)進行微噴砂，去除鈦合金表面的氧化皮，露出基體；然后，對花鍵接頭進行超聲清洗，除去花鍵接頭表面的油污及噴砂殘留的微粒；第三，用干燥的壓縮空氣吹干花鍵接頭表面殘留的水分；第四，利用磁控濺射復(fù)合離子源技術(shù)在最表層沉積DLC層，提高薄膜的耐磨性；最后，利用電弧離子鍍技術(shù)驅(qū)動Cr靶材，控制氮氣流量，在鈦合金花鍵接頭表面沉積CrN涂層。

根據(jù)上述方法，分別涂覆DLC涂層花鍵接頭和CrN涂層花鍵接頭，如圖3（a）和圖3（b）所示。

圖3 硬化涂層花鍵接頭

性能測試

分別對鈦合金花鍵接頭表面的DLC涂層和CrN涂層進行硬度、厚度及結(jié)合力的測試。

對隨爐鈦合金花鍵接頭表面的DLC涂層和CrN涂層進行硬度測試，結(jié)果如表7所示。

表7 花鍵接頭涂層硬度對比表

對鍍膜后的隨爐鈦合金花鍵接頭進行切割、鑲樣、磨拋，經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察，截面照片如圖4所示?？梢?，涂層均勻致密，與鈦合金基材結(jié)合良好。

圖4 花鍵接頭涂層厚度

對鍍膜后的隨爐鈦合金花鍵接頭進行劃痕試驗，測得的結(jié)合力如表8所示。

表8 花鍵接頭涂層結(jié)合力對比表

通過對鈦合金花鍵接頭鍍膜后的硬度、厚度、結(jié)合力的表征測試，結(jié)果均滿足要求，與鈦合金試件涂層的測試結(jié)果相當。

鈦合金花鍵接頭摩擦磨損試驗

為驗證鈦合金花鍵接頭表面耐磨涂層的可靠性及有效性，分別對上述兩種涂層的鈦合金花鍵接頭進行了摩擦磨損試驗驗證。

試驗程序

按圖5所示加載方向，對扭矩進行周期性加載，模擬直升機傳動系統(tǒng)動力傳動花鍵軸實際工況（見表9），每一次加載為一主循環(huán)，包括加載、小循環(huán)以及卸載3個過程。加載過程時間為4s，達到一個扭矩值（TM）。然后進行小循環(huán)試驗，扭矩值波動加載，波動值為±5%TM，波動頻率為3～5Hz，小循環(huán)試驗進行500循環(huán)。完成小循環(huán)試驗后，進行4s扭矩卸載。完成一次主循環(huán)后，隔2s開展下一次主循環(huán)加載，依次類推，累積循環(huán)數(shù)達到表9要求或被試件損壞時，試驗結(jié)束。

圖5 扭矩加載

在每一次扭矩加載的主循環(huán)過程中，對內(nèi)花鍵施加往復(fù)滑動，滑動位移為1～2mm，滑動頻率為0.1～0.2Hz，試驗過程中需進行花鍵表面潤滑。

試驗結(jié)果及分析

按照表9要求開展磨損試驗循環(huán)，頻率為3Hz，完成每個階段后對2種涂層花鍵接頭進行檢查，對循環(huán)次數(shù)、花鍵接頭質(zhì)量和花鍵齒面情況進行詳細記錄。試驗累積完成600萬循環(huán)后，花鍵齒面磨損情況良好，未出現(xiàn)涂層剝落、起皮等異?，F(xiàn)象（見圖6），試驗前、后的花鍵質(zhì)量如表10所示，DLC和CrN涂層花鍵接頭的質(zhì)量損失比分別為0.23%和0.35%，損失量極小，試驗前、后無明顯差異。結(jié)合試驗前、后花鍵齒面的磨損情況及質(zhì)量損失情況分析表明，DLC和CrN涂層可以滿足鈦合金動力傳動花鍵軸的使用工況要求。

表9 試驗加載程序表

表10 試驗前后質(zhì)量對比

圖6 花鍵接頭磨損試驗后齒面外觀

結(jié)束語

本文提出的硬化涂層制備技術(shù)可以滿足鈦合金花鍵表面的涂覆要求，涂層性能穩(wěn)定可靠。綜合對比不同工況條件下DLC、CrN、TiN的涂層性能和磨損性能，DLC、CrN涂層在性能穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更優(yōu)，通過花鍵接頭摩擦磨損試驗驗證，該兩種涂層可用于鈦合金傳動花鍵軸的表面硬化，有利于提高鈦合金花鍵的抗磨損性能。