南 榕,李思蘭
(西北有色金屬研究院, 陜西 西安 710016)
鈦被譽(yù)為“現(xiàn)代新金屬”,具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)異、高溫性能穩(wěn)定、疲勞強(qiáng)度高、生物相容性好等一系列優(yōu)異性能,廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、化工、石油、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。然而,鈦合金摩擦磨損性能較差,主要表現(xiàn)有:① 塑性剪切抗力較低;② 表面加工硬化能力差;③ 摩擦磨損過程中產(chǎn)生的磨屑很容易碎化和去除,對鈦合金基材表面保護(hù)作用微弱。鈦合金的摩擦系數(shù)較高,不僅易發(fā)生滑動(dòng)磨損,對微動(dòng)磨損也十分敏感[2]。微動(dòng)磨損不同于宏觀發(fā)生的磨損,它是存在于名義“相對靜止”配副之間的損傷形式,是配副面在法向載荷作用下產(chǎn)生微米級震動(dòng)而發(fā)生的磨損破壞。圖1為因微動(dòng)磨損導(dǎo)致的航空發(fā)動(dòng)機(jī)花鍵聯(lián)接失效斷裂,該類失效通常不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn),難以評測預(yù)估,造成的危害極大,是航空航天中零部件的主要失效形式之一,有著“工業(yè)癌癥”之稱。微動(dòng)磨損導(dǎo)致的斷裂失效給鈦合金的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用帶來了巨大的局限性和挑戰(zhàn)性。
圖1 微動(dòng)磨損導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)花鍵聯(lián)接失效斷裂[3]
美國、德國等西方發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)60年代就已開始關(guān)注航空航天應(yīng)用中發(fā)生的磨損失效情況,對鈦合金的微動(dòng)磨損開展了系統(tǒng)研究[4]。我國對鈦合金微動(dòng)磨損損傷的研究起步較晚,最早于20世紀(jì)80年代開始關(guān)注國外的相關(guān)報(bào)道及文獻(xiàn),90年代才開始著手進(jìn)行鈦合金的微動(dòng)磨損研究[5],因此在工程應(yīng)用及理論分析上與發(fā)達(dá)國家有著較大的差距。近20年,國內(nèi)外科研工作者依舊將鈦合金微動(dòng)磨損的機(jī)理及防護(hù)技術(shù)研究作為航空航天材料發(fā)展的重要突破口,開展了大量的研究工作,并取得了豐碩的研究成果[6]。為此,綜述了鈦合金微動(dòng)磨損及表面處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,分析了未來研究的重點(diǎn)和方向,希望能夠幫助相關(guān)科研工作者了解研究動(dòng)態(tài),促進(jìn)鈦合金微動(dòng)磨損研究的發(fā)展。
微動(dòng)磨損是一個(gè)極其復(fù)雜的過程,相關(guān)研究表明影響微動(dòng)磨損的因素多達(dá)50余個(gè)[7-8],但經(jīng)過研究者大量的實(shí)驗(yàn)工作總結(jié)得出,最主要的因素包括2個(gè)方面,分別為力學(xué)因素和工況因素[9-10]。力學(xué)因素包括位移幅值、載荷、循環(huán)周次、頻率等,工況因素包括溫度、濕度、氣氛、介質(zhì)等,二者互相作用,協(xié)同影響著材料的微動(dòng)磨損性能,大大增加了對微動(dòng)磨損的研究難度,也導(dǎo)致目前尚沒有系統(tǒng)且明確的微動(dòng)磨損理論[11-12]。由于航空航天、艦船等領(lǐng)域中鈦合金零部件大多是在微動(dòng)工況下進(jìn)行工作,導(dǎo)致鈦合金的微動(dòng)損傷問題十分突出[13]。
南京航空航天大學(xué)丁燕[14]、成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所柏林等[15]采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法,以磨損量和摩擦因數(shù)作為指標(biāo),研究了位移幅值、頻率以及載荷對TC4-DT和TC21鈦合金微動(dòng)磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:位移幅值、法向載荷對鈦合金的微動(dòng)磨損性能影響顯著,而頻率對其影響相對較??;TC4-DT和TC21鈦合金的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、粘著磨損和剝層磨損,在一定的實(shí)驗(yàn)條件下,其中一種磨損機(jī)理會(huì)占主導(dǎo)性作用。張亞非等[16-20]研究表明,載荷、位移幅值和頻率對鈦合金的微動(dòng)磨損性能及損傷機(jī)制均具有顯著影響。中國科學(xué)院金屬研究所Wang等[21]在TC4鈦合金的微動(dòng)磨損研究中提出,在不同的外加位移和載荷作用下,可以通過微動(dòng)磨損試驗(yàn)中微動(dòng)循環(huán)次數(shù)對系統(tǒng)變形的影響來確定微動(dòng)磨損的產(chǎn)生條件。
法國里昂中央學(xué)院摩擦學(xué)和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Fouvry等[22, 23]采用圓柱/平面的接觸方式,研究了頻率、法向載荷和位移幅值對鈦合金微動(dòng)磨損的影響。研究結(jié)果顯示:較低的頻率、法向載荷以及較低的位移幅值,會(huì)導(dǎo)致磨損處氧化嚴(yán)重,磨損率較大,形成U形微動(dòng)磨痕;相反,增大頻率、法向載荷以及位移幅值后,會(huì)在亞表面形成摩擦轉(zhuǎn)化層結(jié)構(gòu)(tribologically transformed structure,TTS),該結(jié)構(gòu)能夠一定程度上減少接觸中心的氧化程度,形成W型微磨痕,同時(shí)磨損機(jī)理由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p。Peteghem等[24]認(rèn)為,在實(shí)際微動(dòng)磨損工況下法向載荷并不是固定不變的,而是伴隨相對位移一同循環(huán)變化,因此開發(fā)了一種新的微動(dòng)磨損系統(tǒng),如圖2所示[24]。該微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)裝置可以控制相對滑動(dòng)方向和法向力的變化。采用該微動(dòng)磨損裝置研究了TC4鈦合金在恒、變工況下的磨損過程和磨損動(dòng)力學(xué),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:① 法向載荷頻率顯著影響磨損率,頻率越低,磨損率越低;② 法向力的變化影響著磨損界面的結(jié)構(gòu),即恒定的法向力誘導(dǎo)形成封閉的磨損界面,而變化的法向力誘導(dǎo)形成開放接觸的磨損界面。此外,Arnaud等[25]還提出了一種全新的包含第三體運(yùn)動(dòng)的有限元微動(dòng)磨損模型來分析TC4鈦合金微動(dòng)磨損的機(jī)理,并通過對比試驗(yàn)證明了該模型的有效性。
圖2 微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[24]
目前,關(guān)于特殊工況(腐蝕、高溫)下鈦合金微動(dòng)磨損的研究相對較少[26]。與大氣環(huán)境下相比,特殊工況下的微動(dòng)磨損機(jī)理更加復(fù)雜,對此開展研究也具有更加重要的意義。蘭州理工大學(xué)俞樹榮等采用SRV-IV微動(dòng)磨損試驗(yàn)臺(tái)研究了TC4鈦合金在不同環(huán)境介質(zhì)[27-28]和不同溫度[29]下的微動(dòng)磨損行為。結(jié)果表明:干摩擦中,磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和粘著磨損,同時(shí)伴隨輕微氧化磨損;在純水介質(zhì)中,磨損機(jī)制主要為疲勞磨損和磨粒磨損;在模擬海水介質(zhì)中,磨損和腐蝕之間有著復(fù)雜的“正交互作用”,磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和腐蝕磨損。環(huán)境溫度升高使微動(dòng)磨損造成的磨屑更加致密,可以在一定程度上阻隔與摩擦副的接觸,從而改善合金的微動(dòng)磨損性能。沈桂琴等[30-32]對鈦合金在不同溫度下的微動(dòng)磨損也進(jìn)行了研究,其結(jié)果與俞樹榮等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。丁紅燕等[33-34]研究了TC11鈦合金在海水中的微動(dòng)磨損行為,與純水條件相比,表面摩擦系數(shù)較低,這主要是由于海水可以在摩擦副之間形成表面膜,使腐蝕與磨損呈現(xiàn)出反常的“負(fù)交互”規(guī)律。西南交通大學(xué)王勇[35]利用高精度液壓式微動(dòng)磨損機(jī),采用球/平面接觸方式研究了臨床中應(yīng)用較多的金屬生物材料TA2純鈦和TC4鈦合金在大氣、蒸餾水、生理鹽水(Saline溶液)3種不同環(huán)境下的微動(dòng)磨損行為,結(jié)果表明3種環(huán)境下鈦合金的摩擦系數(shù)很接近;TA2純鈦和TC4鈦合金在Saline溶液中易發(fā)生縫隙腐蝕。南京航空航天大學(xué)鄧凱[5]研究了TC11鈦合金在模擬海水/純水以及150 ℃/室溫環(huán)境下的微動(dòng)磨損性能。結(jié)果表明,TC11鈦合金在模擬海水中可形成特殊減摩層降低摩擦系數(shù),磨損量低于純水中;與室溫下相比,在150 ℃環(huán)境下的微動(dòng)磨損更嚴(yán)重。英國諾丁漢大學(xué)冶金與材料科學(xué)系Waterhouse等[36]在20、400、500、600 ℃的大氣環(huán)境下對IMI550、IMI679、IMI685和IMI829 4種高溫鈦合金進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn),結(jié)果表明在微動(dòng)和高溫環(huán)境條件下,所有合金的磨屑均被壓實(shí)形成厚度約10 μm的釉層,該釉層對磨損表面有較好的保護(hù)作用。
綜上所述,目前關(guān)于各種影響因素對鈦合金微動(dòng)磨損的系統(tǒng)研究仍然欠缺,大多數(shù)研究都是在較為單一且恒定不變的力學(xué)條件和環(huán)境條件下進(jìn)行的。不同的實(shí)驗(yàn)條件相組合,雖然可以得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但鈦合金在實(shí)際應(yīng)用中面臨的是周期性變化的環(huán)境因素以及循環(huán)變化的力學(xué)因素,此時(shí)各種因素的“時(shí)變性”、“相干性”將會(huì)導(dǎo)致不同的微動(dòng)磨損情況。因此,還需根據(jù)鈦合金的實(shí)際服役情況,結(jié)合先進(jìn)的科研技術(shù)系統(tǒng)地研究鈦合金微動(dòng)磨損的機(jī)理,為鈦合金的工程應(yīng)用及相關(guān)防護(hù)技術(shù)提供可靠的理論支持。
基于研究者對微動(dòng)損傷的研究[37],改善鈦合金的微動(dòng)磨損情況可以采取以下3種措施:① 合理搭配材料副;② 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);③ 表面處理。其中,表面處理無需改變材料成分和結(jié)構(gòu),成本低,效率高,抗微動(dòng)損傷效果顯著,因此,被廣泛用來改善鈦合金微動(dòng)磨損性能。根據(jù)工藝特點(diǎn),表面處理技術(shù)可以細(xì)分為表面涂覆技術(shù)、表面改性技術(shù)和復(fù)合表面處理技術(shù)[38]。
表面涂覆技術(shù)是指在基體材料表面通過物理或化學(xué)方法涂覆一層與基體材料完全不同的膜層,以此提高材料的表面性能。傳統(tǒng)表面涂覆工藝有氣相沉積(物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD))、熱噴涂等,新型表面涂覆工藝有爆炸噴涂、等離子噴涂、非平衡磁控濺射等。
西北工業(yè)大學(xué)Du等[39]采用非平衡磁控濺射法在TC4鈦合金基體上沉積了類金剛石膜(DLC膜)和類石墨碳薄膜(GLC膜),通過研究得出鈦合金表面DLC膜的抗微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞性能優(yōu)于GLC膜,并認(rèn)為膜層的結(jié)合強(qiáng)度和韌性是提高抗微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞性能的關(guān)鍵。西南交通大學(xué)Liu等[40]研究了Ti-Al-Zr合金表面爆炸噴涂WC-25Co涂層的微動(dòng)磨損行為。結(jié)果表明:高溫條件下WC-25Co涂層的摩擦系數(shù)在部分滑移狀態(tài)下接近恒定,涂層的微動(dòng)損傷非常輕微;在滑移區(qū),WC-25Co涂層表現(xiàn)出良好的耐磨性,其磨損量隨溫度的升高而明顯減??;WC-25Co涂層在高溫條件下可形成更致密、更厚的氧化碎屑層,顯著改善合金的微動(dòng)磨損性能;WC-25Co涂層的微動(dòng)磨損機(jī)理主要為高溫脫層磨損、磨粒磨損和氧化磨損。大連理工大學(xué)Niu等[41]研究了TC4鈦合金基體表面等離子噴涂CuNiIn涂層在平面/平面接觸條件下的微動(dòng)磨損機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CuNiIn涂層具有良好的微動(dòng)磨損性能,其微動(dòng)磨損過程可以分為3個(gè)階段:① 初始階段,涂層粗糙的表面因材料切割和轉(zhuǎn)移逐漸被壓平;② 分層磨損階段,涂層的片層結(jié)構(gòu)和孔洞迅速開裂;③ 穩(wěn)定磨損階段,此時(shí)伴隨有第三體的潤滑,局部有分層。此外,文中指出[41],CuNiIn涂層的片層結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)裂紋沿層間偏轉(zhuǎn),阻礙裂紋擴(kuò)展,并引導(dǎo)裂紋沿層間分叉,利于延長微動(dòng)磨損壽命。Hager Jr等[42]在室溫下進(jìn)行微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn),分析等離子噴涂CuNiIn涂層在模擬渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)工況下的微動(dòng)磨損機(jī)理,同時(shí)對等離子噴涂Mo、Ni等替代涂層進(jìn)行了評估。Mary等[43]研究了壓力和溫度對鈦合金表面等離子噴涂CuNiIn涂層微動(dòng)磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,壓力對CuNiIn涂層微動(dòng)磨損性能有著顯著影響,它可以改變界面結(jié)構(gòu),從而改變磨損動(dòng)力學(xué)。并在對微動(dòng)磨損后表面進(jìn)行X射線能譜(EDS)、X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)等分析的基礎(chǔ)上,提出一種基于能量磨損的定量描述方法,以預(yù)測接觸載荷參數(shù)對磨損動(dòng)力學(xué)的影響。
表面改性技術(shù)是指在不改變原材料或制品性能的前提下,通過物理、化學(xué)的方法改變材料表面的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu),以提高材料的表面性能。該技術(shù)包括噴丸強(qiáng)化、激光淬火、離子注入、化學(xué)熱處理等方法。
大連理工大學(xué)Yang等[44]結(jié)合有限元模擬和實(shí)驗(yàn)的方法研究了燕尾榫結(jié)構(gòu)TC4鈦合金試樣的微動(dòng)磨損機(jī)理。結(jié)果顯示,經(jīng)噴丸處理后,TC4鈦合金燕尾榫接頭的微動(dòng)磨損機(jī)制和裂紋萌生角度發(fā)生改變;噴丸處理大大減少了裂紋的類型和數(shù)量,抑制初始裂紋的擴(kuò)展,有效防止TC4鈦合金燕尾榫接頭試樣裂紋的擴(kuò)展。法國里昂中央理工學(xué)院Fridrici等[45]也對經(jīng)噴丸處理的TC4鈦合金試樣進(jìn)行了微動(dòng)磨損試驗(yàn),結(jié)果顯示噴丸處理對TC4鈦合金微動(dòng)載荷下的磨損行為幾乎沒有影響,但是在限制裂紋形核和擴(kuò)展方面有著重要作用。Vadiraj等[46]對比研究了激光滲氮和等離子滲氮技術(shù)對醫(yī)用鈦合金Ti6Al7Nb微動(dòng)磨損性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,激光滲氮改性層具有優(yōu)異的抗微動(dòng)磨損性能,等離子滲氮改性層薄而軟,無法保護(hù)試樣經(jīng)受長時(shí)間的微動(dòng)磨損。西南交通大學(xué)Li等[47]研究了氮離子注入濃度對鈦合金扭動(dòng)微動(dòng)磨損性能的影響。研究指出,磨粒磨損是離子注入層最常見的磨損機(jī)制,鈦合金的扭轉(zhuǎn)微動(dòng)損傷對于注入氮離子的劑量和角位移振幅十分敏感。
經(jīng)過近些年的研究和實(shí)際應(yīng)用,研究者發(fā)現(xiàn),單一的鈦合金表面處理技術(shù)存在極大的局限性,并且隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,對鈦合金的性能也提出了更高的要求,因此第二代表面處理技術(shù)(復(fù)合表面處理技術(shù))應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過使用2種或2種以上表面處理工藝,達(dá)到進(jìn)一步強(qiáng)化表面性能的目的,例如等離子噴涂與激光輻照復(fù)合、熱噴涂與噴丸復(fù)合、化學(xué)熱處理和電鍍復(fù)合等。
為增強(qiáng)DLC膜與基體材料的結(jié)合力,南京航空航天大學(xué)鄧凱[48]對TC11鈦合金基體表面先進(jìn)行滲N+預(yù)處理,再沉積Cr/CrN過渡層,最后沉積DLC膜。隨后在模擬海洋環(huán)境中,采用球/平面接觸方式進(jìn)行微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示DLC多層膜抗微動(dòng)磨損效果顯著,可以抑制氧化磨損,減少磨粒磨損的發(fā)生,同時(shí),磨屑中石墨形式的C可以降低表面摩擦系數(shù)。美國聯(lián)合技術(shù)公司(UTC)Hager Jr等[49]指出,渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片通常采用等離子噴涂CuNiIn涂層和固體潤滑劑來緩解微動(dòng)磨損,但是潤滑層磨損破裂后,等離子噴涂CuNiIn涂層會(huì)對未噴涂涂層的鈦合金表面造成嚴(yán)重?fù)p傷。相關(guān)復(fù)合涂層的研究表明,CrCN和Ni復(fù)合涂層綜合性能最佳,該復(fù)合涂層在經(jīng)過10 000次循環(huán)后仍然完整無損。李瑞冬等[50]在研究中也發(fā)現(xiàn),單獨(dú)的噴丸處理不能明顯改善鈦合金的抗微動(dòng)磨損性能,但是有利于第三體磨損較快進(jìn)入穩(wěn)定磨損狀態(tài),而“干噴+涂層”的復(fù)合工藝能夠減少磨損體積,從而較好地改善鈦合金的抗微動(dòng)磨損性能。Fridrici等[51]研究發(fā)現(xiàn),對TC4鈦合金試樣進(jìn)行噴丸+等離子噴涂表面處理,能夠改善其微動(dòng)磨損性能;試樣表面的涂層改變了裂紋形核條件,減小了微動(dòng)磨損中形成的裂紋長度。西北工業(yè)大學(xué)劉道新等[52]研究了加弧輝光離子滲NiCr與噴丸強(qiáng)化復(fù)合處理技術(shù)對鈦合金微動(dòng)磨損性能的影響,研究結(jié)果表明:利用加弧輝光離子滲鍍技術(shù)可以獲得由Ni3Ti金屬間化合物等組成的滲鍍復(fù)合層,從而提高鈦合金的表面硬度和耐磨性;相比單一涂層,復(fù)合涂層有著更好的表面性能。
(1) 微動(dòng)磨損涉及多個(gè)學(xué)科,影響鈦合金微動(dòng)磨損的因素較多,目前的微動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也大多只考慮單個(gè)因素,且參數(shù)一般恒定。因此,應(yīng)多結(jié)合鈦合金在工業(yè)應(yīng)用中的失效實(shí)例,加強(qiáng)對多因素協(xié)同影響的研究。同時(shí),參數(shù)的設(shè)定也應(yīng)考慮周期性變化或非周期性變化,可以結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬分析,建立鈦合金的微動(dòng)磨損模型,深入研究鈦合金的微動(dòng)損傷機(jī)理。
(2) 鈦合金廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、醫(yī)藥等行業(yè),需要進(jìn)一步研究特殊工況下的微動(dòng)磨損機(jī)理。傳統(tǒng)表面處理技術(shù)有著諸多的缺點(diǎn),已逐漸不能夠滿足鈦合金在各個(gè)行業(yè)中的使用需求,復(fù)合表面處理技術(shù)以及新型表面處理技術(shù)(超深層表面改性技術(shù)、低溫化學(xué)表面涂層、離子滲工藝結(jié)合表面形變納米化等)將是未來鈦合金微動(dòng)磨損的研究方向和重點(diǎn)。