TC4鈦合金表面釬焊WC耐磨層的微動(dòng)磨損性能研究

張 軍，蔡曉龍，高禩洋 ，張 甲，王 廷

1.中國航發(fā)動(dòng)力股份有限公司，陜西 西安 710015

2.中國科學(xué)院金屬研究所 師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，遼寧 沈陽 110016

3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海 264209

0 前言

鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等突出優(yōu)點(diǎn)，在國防工業(yè)和民用工業(yè)中，尤其在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1］，已應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和風(fēng)扇葉片。但是鈦合金摩擦磨損性能差，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［2］。鈦合金的摩擦磨損形式主要有：黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、氧化磨損和微動(dòng)磨損［3-4］。根據(jù)鈦合金構(gòu)件服役工況不同，其主要磨損形式也不同。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度越來越快，微動(dòng)磨損成為零部件主要失效形式之一，尤其是鈦合金葉片的葉冠及榫槽部位微動(dòng)磨損現(xiàn)象嚴(yán)重。不同于常規(guī)的磨損，微動(dòng)磨損是指在交變載荷作用下，兩接觸表面間發(fā)生振幅極小的相對運(yùn)動(dòng)［5-7］，一般為微米量級，這會導(dǎo)致構(gòu)件間發(fā)生松動(dòng)或破壞，甚至?xí)壬鸭y并發(fā)展成為結(jié)構(gòu)疲勞的裂紋源，嚴(yán)重影響構(gòu)件的疲勞壽命［8］，造成極大的危害。由于鈦合金材料本身耐磨性差，往往不能滿足工作要求，為了滿足鈦合金葉片的工作條件、提高可靠性和延長使用壽命，通常需要在鈦合金葉片的相應(yīng)部位制備抗磨、抗沖擊的耐磨層［8-9］。典型的耐磨層制備方法包括離子注入、化學(xué)鍍、等離子噴涂、電子束物理氣相沉積、超音速火焰噴涂、冷噴涂、激光熔覆、表面氧化技術(shù)等［10-11］。針對風(fēng)扇鈦合金葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通常采用感應(yīng)釬焊耐磨層制備工藝［12］，但目前對于感應(yīng)釬焊制備的耐磨層的摩擦磨損行為，特別是微動(dòng)磨損性能缺乏系統(tǒng)的研究與評價(jià)，限制了耐磨層在苛刻工況條件下的進(jìn)一步應(yīng)用。

本文采用鈦基釬料，通過感應(yīng)釬焊工藝，在常用葉片材料TC4鈦合金表面制備了碳化鎢（WC）耐磨層。通過模擬工況的微動(dòng)磨損試驗(yàn)，研究了載荷、位移、頻率等工況參數(shù)對WC耐磨層的摩擦系數(shù)、磨損體積的演變規(guī)律，研究結(jié)果對于耐磨層的工程化及工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)基材為TC4鈦合金，其化學(xué)成分如表1所示，合金組織為典型的等軸α+β雙相組織結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)過程中，首先將TC4待焊面用合金銼去除表面氧化物，將B-Ti57CuZrNi-S粉狀釬料（化學(xué)成分見表2）與鑄造WC硬質(zhì)合金粉末按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)比50%:50%均勻混合，粉狀釬料粒度為-150目，WC硬質(zhì)合金粉末粒度為-60～+80目，再用粘接劑將混合粉末調(diào)制成膏狀，置于試樣頂部，在充氬高頻感應(yīng)釬焊設(shè)備中進(jìn)行釬焊，釬焊溫度960～975 ℃。微動(dòng)磨損試樣耐磨層尺寸13.0 mm×4.1 mm，厚度0.3～0.4 mm。微動(dòng)磨損試樣實(shí)物如圖1所示。

表1 TC4合金化學(xué)成分（原子百分比，%）Table 1 Chemical composition of TC4 alloy （at.%）

表2 釬料化學(xué)成分（原子百分比，%）Table 2 Chemical composition of brazing filler metal （at.%）

圖1 WC耐磨層樣品的實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Picture of WC wear-resistant layer sample

微動(dòng)磨損試驗(yàn)示意如圖2所示。待測樣品為下試樣，通過夾具水平固定；上試樣（氮化硅陶瓷球，直徑4 mm）至于水平位置O處；當(dāng)對上試樣施加的法向載荷達(dá)到預(yù)設(shè)值并保持5 s后，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)上試樣在O處以恒定的載荷、位移和頻率振動(dòng)。試驗(yàn)參數(shù)為：法向載荷20 N、50 N、100 N，位移幅值20 μm、50 μm、100 μm，頻率40 Hz、100 Hz，試驗(yàn)時(shí)間均為1 h。微動(dòng)磨損試驗(yàn)在RTEC MFT-3000型腐蝕微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中切向力和法向力由上試樣夾具后的雙向力傳感器直接測得，二者比值為摩擦系數(shù)；試驗(yàn)后，通過UP-WLI型白光干涉儀對待測樣品（耐磨層）的磨損體積進(jìn)行測量。用Quanta600掃描電子顯微鏡對磨痕進(jìn)行微觀分析，用電子探針（EPMA-1600）測定磨斑區(qū)域的元素。

圖2 微動(dòng)磨損試驗(yàn)示意Fig.2 Schematic diagram of fretting wear test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 涂層形貌及硬度

對釬焊試樣進(jìn)行了縱向解剖，其顯微組織如圖3所示，耐磨層組織均勻致密，WC硬質(zhì)合金顆粒被牢固地包裹在鈦基釬料中，耐磨層與TC4鈦合金基體形成了良好的冶金結(jié)合。耐磨層中的WC顆粒和鈦基釬料的硬度差異顯著，顯微硬度分別為1 820 HV和456 HV。

圖3 耐磨層形貌Fig.3 Morphology of the wear-resistant coating

2.2 摩擦系數(shù)

圖4～圖6分別為不同載荷、頻率和位移條件下耐磨層的平均摩擦系數(shù)。由圖4可知，小載荷（20 N）條件下，頻率40 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時(shí)平均摩擦系數(shù)分別為0.64、0.64、0.62；頻率100 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時(shí)平均摩擦系數(shù)分別為0.69、0.68、0.62，可見小載荷條件下頻率和位移對耐磨層平均摩擦系數(shù)的影響不大。

圖4 載荷為20 N條件下耐磨層的平均摩擦系數(shù)隨位移和頻率的變化Fig.4 Change of average friction coefficient of wear-resistant layer with displacement and frequency under 20 N load

圖5 載荷為50 N條件下耐磨層的平均摩擦系數(shù)隨位移和頻率的變化Fig.5 Change of average friction coefficient of wear-resistant layer with displacement and frequency under 50 N load

圖6 載荷100 N條件下耐磨層的平均摩擦系數(shù)隨位移和頻率的變化Fig.6 Change of average friction coefficient of wear-resistant layer with displacement and frequency under 100 N load

由圖5可知，中載荷（50 N）條件下，頻率40 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時(shí)平均摩擦系數(shù)分別為0.40、0.65、0.54；頻率 100 Hz，位移 20 μm、50 μm、100 μm時(shí)平均摩擦系數(shù)分別為0.42、0.64、0.58。由圖6可知，高載荷（100 N）條件下，頻率40 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時(shí)平均摩擦系數(shù)分別為0.21、0.54、0.53，頻率100 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時(shí)平均摩擦系數(shù)分別為0.23、0.56、0.58。可以看出，中高載荷時(shí)頻率變化對耐磨層平均摩擦系數(shù)的影響不大，位移變化則對耐磨層平均摩擦系數(shù)的影響較明顯。載荷50 N和100 N條件下，位移為20 μm的耐磨層具有較小的平均摩擦系數(shù)，并且隨載荷的增大而減小，這主要是因?yàn)樵谛∥灰茥l件下隨著載荷的變大，接觸應(yīng)力增加，將更多的表面材料剪斷形成更多的磨屑，磨屑難以轉(zhuǎn)移和排出，使得兩摩擦副接觸的機(jī)會降低，故摩擦系數(shù)較低。當(dāng)位移增加到50 μm時(shí)，兩摩擦副相對滑動(dòng)增加導(dǎo)致平均摩擦系數(shù)增大，當(dāng)位移進(jìn)一步增加到100 μm時(shí)耐磨層平均摩擦系數(shù)略有下降（載荷50 N）或趨于穩(wěn)定（載荷100 N）。載荷的變化對耐磨層平均摩擦系數(shù)的影響不大，這與不同載荷下磨損過程中磨屑的生成速度、轉(zhuǎn)移排出速度有關(guān)，其具體機(jī)理尚需進(jìn)一步深入研究。

2.3 磨損體積

圖7～圖9分別為在20 N、50 N和100 N不同載荷條件下，耐磨層的磨損體積隨位移和頻率的變化曲線，可以看出位移幅值的變化對磨損體積具有明顯影響。周仲榮等［13］將微動(dòng)分為3個(gè)不同運(yùn)行區(qū)域，分別是部分滑移區(qū)、混合區(qū)和滑移區(qū)，當(dāng)載荷和頻率一定而位移幅值較小時(shí)，微動(dòng)處于部分滑移區(qū)，接觸體之間相對滑移很小，幾乎為彈性運(yùn)動(dòng)，耐磨層磨損量極低，幾乎沒有磨損。而隨著位移幅值的增加，滑移的趨勢增大，磨損量逐漸增加。因此，在載荷20 N和50 N條件下，隨著位移從20 μm增加到100 μm，摩擦副的滑移趨勢亦不斷增大，耐磨層磨損體積逐漸增加。

圖7 載荷20 N時(shí)耐磨層的磨損體積隨位移和頻率的變化Fig.7 Change of wear volume of wear resistant layer with displace‐ment and frequency under 20 N load

圖8 載荷50 N時(shí)耐磨層的磨損體積隨位移和頻率的變化Fig.8 Change of wear volume of wear resistant layer with displace‐ment and frequency under 50 N load

圖9 載荷100 N時(shí)耐磨層的磨損體積隨位移和頻率的變化Fig.9 Change of wear volume of wear resistant layer with displacement and frequency under 100 N load

然而對于100 N條件下，由于載荷相對20 N、50 N明顯增大，導(dǎo)致在位移20 μm和50 μm時(shí)，滑移趨勢增加不明顯，涂層的磨損體積無顯著增加；而當(dāng)位移進(jìn)一步增大時(shí)（100 μm），滑移趨勢才有所增加，涂層磨損體積出現(xiàn)明顯增加。

2.4 磨痕形貌

耐磨層是鈦基釬料和WC顆粒的復(fù)合層，鈦基釬料為黏結(jié)相，WC顆粒為硬質(zhì)相，相對于硬質(zhì)相WC，黏結(jié)相鈦基釬料硬度較低。在不同微動(dòng)磨損試驗(yàn)條件下耐磨層的磨損體積不同，因此磨痕的大小有很大差異，但是磨痕的形狀相近均為圓形或近圓形。50 μm、100 Hz條件下耐磨層的磨痕具有典型形貌，當(dāng)載荷為20 N時(shí)耐磨層的磨痕形貌照片如圖10所示。

圖10 耐磨層的磨痕表面形貌（20 N、50 μm、100 Hz）Fig.10 Surface morphology of wear scar of wear-resistant layer（20 N，50 μm，100 Hz）

圖10中標(biāo)記A處經(jīng)能譜分析為WC顆粒，標(biāo)記B處為磨屑，經(jīng)探針進(jìn)行成分分析結(jié)果如表3所示，可見磨屑為鈦、銅、鎢、硅等混合氧化物，這是因?yàn)樵谕鶑?fù)運(yùn)動(dòng)過程中耐磨層溫度升高發(fā)生氧化，在該條件下進(jìn)行微動(dòng)磨損時(shí)，鈦基釬料、WC和對偶件氮化硅均剝落形成磨屑，這些磨屑及其氧化物對耐磨層表面具有一定的減磨作用。該條件下耐磨層磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏著磨損。

表3 耐磨層的磨痕能譜（原子分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Energy spectrum of wear scar of wear-resistant layer （at.%）

當(dāng)載荷增大至50 N時(shí)，在50 μm、100 Hz條件下耐磨層的磨痕表面形貌照片如圖11所示。由圖可見，磨損加重，仍然以磨粒磨損和粘著磨損為主要磨損機(jī)理，并伴隨著剝落現(xiàn)象。當(dāng)載荷繼續(xù)增大至100 N時(shí)，相同條件下（見圖12）磨損反而降低，這主要是由于載荷增大，形成的氧化物磨粒不容易排出，從而作為第三體減少了摩擦副間的磨損。在該條件下WC顆粒有少量裂紋出現(xiàn)。此外，相同位移、頻率條件下，載荷越大，摩擦副越易于處于部分滑移區(qū)，磨損量也會相應(yīng)的減少。

圖11 耐磨層的磨痕表面形貌（50 N、50 μm、100 Hz）Fig.11 Surface morphology of wear scar of wear-resistant layer（50 N，50 μm，100 Hz）

圖12 耐磨層的磨痕表面形貌（100 N、50 μm、100 Hz）Fig.12 Surface morphology of wear scar of wear-resistant layer（100 N，50 μm，100 Hz）

3 結(jié)論

通過微動(dòng)磨損試驗(yàn)，對在TC4鈦合金表面感應(yīng)釬焊WC耐磨層的摩擦系數(shù)、磨損體積和磨痕形貌特征進(jìn)行了表征與分析，主要結(jié)論如下：

（1）小載荷（20 N）條件下，頻率和位移對耐磨層平均摩擦系數(shù)的影響均不大；中載荷（50 N）和高載荷（100 N）條件下，頻率的變化對耐磨層平均摩擦系數(shù)的影響不大，然而位移的變化對耐磨層平均摩擦系數(shù)的影響較大。

（2）當(dāng)位移為20 μm時(shí)，耐磨層的平均摩擦系數(shù)隨載荷的增大而減小，但是當(dāng)位移為50 μm、100 μm時(shí)，載荷的變化對耐磨層平均摩擦系數(shù)的影響卻不大。

（3）位移幅值的變化對耐磨層的磨損體積具有重要影響，當(dāng)載荷和頻率一定時(shí)，位移幅值較?。?0 μm）時(shí)，耐磨層磨損量極低，隨著位移幅值的增加磨損量增大。耐磨層的磨損形式為磨粒磨損和黏著磨損。