鈦合金作動部件耐磨性能提升及工程化應用研究

胡 波，徐 辰，劉 斌，閆曉鋒

(1.航空工業(yè)慶安集團有限公司，陜西 西安 710077；2.中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，陜西 西安 710077)

0 前 言

鈦合金因其密度低、耐蝕性好以及在-253 ～500 ℃寬溫域范圍內(nèi)可以保持高強度等特點，成為承受高溫發(fā)動機作動系統(tǒng)部件的首選材料。但鈦合金硬度低，通常不超過380 HV，摩擦系數(shù)高，耐磨性差，黏著磨損嚴重以及容易吸氫等缺陷極大地影響鈦合金作動產(chǎn)品的使用壽命與可靠性。如何提高鈦合金作動部件產(chǎn)品摩擦副的耐磨性能，是鈦合金作動筒產(chǎn)品實際應用中待解決的首要問題。近年來，鈦合金化學鍍Ni-P 合金受到了人們的廣泛關注，但由于鈦合金電位低，極易氧化生成氧化膜，降低了鍍層與基體結合力，給施鍍帶來困難[1]。唐恩軍等[2]通過吹砂和活化的前處理方法在鈦合金表面獲得了結合力良好的化學鍍Ni-P 層。Khoperia[3]發(fā)現(xiàn)適當?shù)臒崽幚砜梢愿淖僋i-P 層組織結構，使Ni3P 第二相顆粒析出產(chǎn)生彌散強化使鍍層硬度提高，從而提升了鍍層的耐磨性。王迎春等[4]采用磷含量為12.8%的Ni-P 鍍層經(jīng)400 ℃熱處理1 h 后，鍍層硬度最高(1 100 HV)，鍍層耐磨性能明顯提高。目前，利用Ni-P 鍍層提高鈦合金耐磨性的研究主要集中在前處理(活化)以及后處理(熱處理強化)工藝方面的探討并通過顯微硬度、磨損量的對比來研究鍍層的耐磨性能[5]。

本工作以工程化應用為目的，通過單因素試驗優(yōu)選出了影響鈦合金化學鍍鎳膜層性能的工藝參數(shù)，并以作動部件鈦合金TC6 試塊(模擬筒體)-沉淀硬化不銹鋼15-5PH 試環(huán)(模擬活塞)摩擦副為研究對象，研究在不同強化處理條件下TC6 試塊化學鍍鎳，15-5PH試環(huán)CMT 熔覆SCu6180 銅合金涂層的摩擦磨損行為，獲取摩擦系數(shù)、磨損量等性能參數(shù)，為不同使用要求下的鈦合金筒體-活塞等相關摩擦副的設計、處理工藝提供數(shù)據(jù)及試驗支持并實現(xiàn)在作動系統(tǒng)部件產(chǎn)品中推廣工程化應用。

1 試 驗

1.1 試樣加工及制備

筒體材料采用TC6(GB/T 2965)鈦合金，化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為:6.50Al、2.50Mo、1.20Cr、0.50Fe，0.25 Si，余量為Ti。熱處理狀態(tài)為雙重退火，表面硬度350 HV1N，對比研究用活塞頭材料為15 - 5PH 不銹鋼(AMS5659)，其主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%):0.07C、1.00Mn、1.00Si、14.50Cr、4.00Ni、3.50Cu，0.45Nb，余量為Fe。經(jīng)固溶熱處理，表面硬度410 HV1N。將TC6 鈦合金和15-5PH 不銹鋼的棒材機械加工成試塊-試環(huán)如圖1，然后進行機械拋光，再采用乙醇和丙酮進行超聲波清洗。試樣的表面粗糙度Ra0.4 μm。試環(huán)(15 -5PH)采用表面CMT 堆焊SCu6180 鋁青銅減摩涂層處理，試塊(TC6)采用鈦合金化學鍍鎳強化處理。

圖1 試塊(TC6)-試環(huán)(15-5PH)摩擦副加工工程圖Fig.1 Processing engineering drawing of test block(TC6)-test ring(15-5PH) friction pair

1.2 檢測及表征方法

(1)采用ZEISS-40MAT 型掃描電鏡(SEM)觀察分析強化層表面及其磨損面微觀形態(tài)特征；

(2)采用Wilson-TURON-2500 硬度測試儀，按ASTM-E-384 對強化層進行硬度檢測，并記錄鍍層硬度實值；

(3)采用X-max20 能譜儀，按GB 3620.1 標準對強化層進行成分測試分析，測定強化層元素；

(4)采用ELTRA-ONH-2000 型氧氮氫分析儀，按GB 4698 對不同熱處理狀態(tài)下鈦合金的含氫量進行測試。

1.3 試環(huán)(活塞頭)-試塊(筒體)摩擦磨損模擬試驗

為對比試環(huán)CMT 熔覆減摩涂層前后的耐磨性能差異，將試環(huán)-試塊磨損試件分為A1 ～A2、B1 ～B2 共2組，其中A 組2 套試件的試環(huán)磨損面均不進行處理，試塊磨損面的處理方式分別為化學鍍鎳并真空熱處理及不進行處理。B 組2 套試件的試環(huán)磨損面均進行CMT堆焊SCu6180 鋁青銅減摩涂層處理，試塊磨損面的處理方式同A 組。2 組共4 套試環(huán)-試件分別進行120 min 的磨損(2 組實驗分別重復3 次取平均值)，并檢測摩擦系數(shù)、磨痕寬度、質(zhì)量損失量等摩擦磨損性能數(shù)據(jù)，具體試驗形式如圖2 所示。

圖2 試環(huán)-試塊摩擦磨損試驗基本原理Fig.2 The test ring-test block friction and wear test principle

試塊-試環(huán)磨損試驗設備采用M2000 磨耗儀按GB/T 3960 標準進行，試驗壓力196 N，施加壓力后試塊與試環(huán)的接觸面積約為9.6 mm2(試塊寬度6 mm，長度方向與試環(huán)的接觸長度約為1.6 mm)，根據(jù)圓柱與平面接觸應力公式:，其中δmax為最大接觸壓力(MPa)；P為集中載荷(N)；R為半徑(mm)；E為彈性模量(MPa)；l為軸長(mm)，可以計算出磨損接觸面的壓強約為28 MPa；試驗轉(zhuǎn)速為200 r/min，試環(huán)直徑φ40 mm，則摩擦線速度為418.67 mm/s；試環(huán)、試塊在120 min 的磨損時長下相應的磨損距離為3 014.4 m；采用15 號航空液壓油間歇潤滑。據(jù)上述試驗條件可知，若活塞頭涂敷銅合金寬度合計20 mm，則經(jīng)120 min 的磨損試驗，相當于作動部件完成往復運動75 360次，滿足其安全服役壽命需求。

2 結果與討論

2.1 TC6 化學鍍鎳層制備工藝參數(shù)對鎳層性能的影響

2.1.1 前處理方法對鍍層結合力的影響

鈦合金極易氧化，其新鮮表面接觸空氣或水溶液會立刻生成氧化膜。要獲得結合力良好的鍍鎳層，首先需將鈦合金表面的氧化膜除凈，其次是在鍍鎳層金屬被沉積前保持鈦合金的活性表面，因此，鈦合金化學鍍鎳前處理方式直接影響鎳層與基體間的結合力情況[6-8]，采用不同前處理方案進行單因素試驗以優(yōu)選出獲得良好結合力鍍層的工藝參數(shù)(如表1)。

表1 不同前處理的鍍層結合力情況Table 1 Coating adhesion of different pretreatment

鍍層結合力檢查使用銼刀法并結合觀察鍍層形貌的方法。選取前處理方法3、6 進行SEM 掃描得到的鍍層組織形貌如圖3 所示，由圖3 可知，圖3a 采用低壓吹細砂+沖擊鍍鎳處理，鍍層局部存在裂紋及脫落，結合力不合格；圖3b 采用低壓吹細沙+氫氟酸腐蝕，得到的鍍層均勻致密幾乎沒有裂紋，經(jīng)銼刀法檢查，鍍層結合力合格且流程較簡單。

圖3 不同前處理的鍍層組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the coating with different pretreatment

2.1.2 溫度對鍍層硬度的影響

TC6 化學鍍鎳后依據(jù)AMS 2404 和HB/Z 5071 標準選取不同溫度(288，343，399，488 ℃)進行熱處理，分別在空氣爐和真空爐里進行。采用Wilson-TURON-2500 硬度測試儀，按ASTM-E-384 進行鍍層硬度檢測，并記錄鍍層硬度實值。在空氣爐中進行不同溫度的熱處理后，鈦合金試樣隨著溫度的升高，其表面發(fā)生氧化，顏色由淡黃色→藍色→紫色[9]，在真空爐中進行同樣溫度的熱處理后，鈦合金試樣未發(fā)生氧化，表面仍為光亮的金屬本色。

通過顯微硬度測試，鈦合金化學鍍鎳試樣經(jīng)真空爐不同溫度熱處理后，鍍層厚度與硬度參數(shù)如表2 所示。

表2 溫度與鈦合金化學鍍鎳層硬度的關系Table 2 Relationship between temperature and hardness of chemical nickel-plating on TC6

鍍層厚度約為40～45 μm，為明確鍍層厚度與對應硬度的關系，沿基體向外每10 μm 范圍內(nèi)測試硬度并形成不同溫度下的鍍層硬度梯度。表2 顯示鍍層硬度隨著真空爐溫度的升高，表現(xiàn)為先升后降，288 ℃熱處理后試樣的硬度約為755 HV1N；343 ℃時硬度達到約830 HV1N；399 ℃時硬度達到約906 HV1N；488 ℃硬度為662 HV1N左右，這是因為隨著溫度的升高，鍍層中Ni-P 合金組織粗化導致硬度有所下降。綜上所述，鈦合金化學鍍鎳層采用真空熱處理溫度為399 ℃時，硬度最高。

2.1.3 化學鍍鎳鍍層成分檢測

鈦合金化學鍍鎳鍍層采用X-max20 能譜儀，按GB/T 3620.1 標準進行成分測試分析。鈦合金化學鍍鎳鍍層能譜(見圖4)詳細成分如表3 所示。

圖4 TC6 化學鍍鎳鍍層能譜Fig.4 TC6 Chemical nickel-plating component diagram of energy spectrum

表3 TC6 化學鍍鎳鍍層能譜成分表(質(zhì)量分數(shù)) %Table 3 TC6 chemical nickel-plating component diagram of energy spectrum(mass frac_t_io_n_)________%__

如圖4 所示，通過選取鍍層不同區(qū)域進行能譜成分分析，得到表3 的具體成分的數(shù)據(jù)，圖4b 為圖譜2區(qū)域的鍍層能譜成分，其中Ni 質(zhì)量分數(shù)約為92.40%，P 質(zhì)量分數(shù)約為6.75%，可以看出化學鍍鎳處理的鍍層為Ni-P合金，這類非晶態(tài)合金經(jīng)一定溫度加熱晶化后，晶粒細微，并伴隨著析出細小、彌散分布的金屬間化合物，在鍍層中引起彌散強化，使鍍層顯微硬度大大提高[10]。

2.1.4 不同熱處理狀態(tài)對含氫量的影響

鈦合金極易吸氫并且這是導致氫脆斷裂的直接因素，鈦合金中氫的固溶度為20 ～200 mg/L。當超過溶解度時，就會形成TiHx，隨著氫含量進一步提高，氫化物的數(shù)量增加，體積增大，引發(fā)脆裂[11]。對比化學鍍鎳前后以及不同熱處理方式(選擇熱處理后化學鍍鎳層硬度最高的溫度，399 ℃)對鈦合金基體吸氫量的影響，采用ELTRA-ONH-2000 型氧氮氫分析儀按GB/T 4698對4 種鈦合金的含氫量進行測試，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同熱處理狀態(tài)TC6 試件的含氫量Table 4 Hydrogen content of TC6 speciments with different heat treatment

從表4 可以看出，雖然采用了氫氟酸等酸性溶液進行了活化處理以及化學鍍鎳工序中都會有吸氫過程[11]，但是鈦合金在本工藝的增氫量并不多，約在30～50 mg/L 之間。鈦合金化學鍍鎳采用空氣爐熱處理，會引發(fā)吸氫，399 ℃時含氫量為264.76 mg/L，超出了可以形成氫化物的溶解度范圍。因此鈦合金化學鍍鎳需采用真空爐進行熱處理。當真空爐399 ℃熱處理時，含氫量由109.00 mg/L 降低為104.28 mg/L，說明真空熱處理可釋放鈦合金在化學鍍鎳工藝過程吸收的氫，因此含氫量有所降低并且在安全范圍內(nèi)。

2.2 試環(huán)表面CMT 熔覆制備鋁青銅減摩涂層

采用CMT 熔覆工藝(焊接電流63 A、焊機速度12 mm/s 及氬氣流量10 L/min)對試環(huán)(15-5PH)表面進行CMT 熔覆SCu6180 鋁青銅減摩涂層處理，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)%)為:9.5Al、2.5Fe，0.2Zn，余量為Cu。熔覆完成的試環(huán)表面見圖5a，熔覆層經(jīng)機械拋光后其表面狀態(tài)見圖5b。

圖5 15-5PH 試環(huán)表面CMT 熔覆SCu6180 銅合金層及加工Fig.5 CMT melt clad SCu6180 copper alloy on the surface of 15-5PH test ring and processing drawing

2.3 試環(huán)-試塊摩擦磨損試驗結果

上述A、B 試環(huán)、試塊試件經(jīng)120 min 的磨損后，其摩擦系數(shù)、質(zhì)量損失率及試塊磨損面表面形態(tài)如表5所示。

表5 A、B 組試環(huán)-試塊摩擦磨損試驗結果Table 5 Friction and wear test results of test ring-test block in group A and B

從表5 中A 組試件磨損結果可以看出在相同的摩擦磨損條件下，未經(jīng)強化處理的鈦合金試塊A2，磨痕寬度較大，磨損嚴重，這是因為鈦合金本身硬度較低僅為350 HV，A2 摩擦系數(shù)大為0.79，在試驗過程中發(fā)生嚴重的黏著磨損[14]，磨損量為355.3 mg。經(jīng)化學鍍鎳處理的鈦合金試塊A1 表面基本完好，未出現(xiàn)裂紋或脫落，證明鍍層結合力滿足需求并且不存在氫脆斷裂的風險，其摩擦系數(shù)顯著降低，由0.79 下降到0.32，這是因為化學鍍鎳層經(jīng)真空熱處理后硬度較高約900 HV1N，圖6 為A 組摩擦副摩擦系數(shù)及磨損量，從圖6 可以看出由起初的磨粒摩擦(摩擦系數(shù)短暫升高)到穩(wěn)定的滑動摩擦，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.32，磨痕寬度僅為未強化的1/18；磨損量為未強化的1/240，鈦合金經(jīng)過化學鍍鎳強化后可以有效地提高其耐磨性能。

圖6 A 組摩擦副摩擦系數(shù)及磨損量Fig.6 Friction coefficient and wear of friction pair in group A

B 組試環(huán)經(jīng)120 min 磨損試驗后表面涂層形貌及摩擦系數(shù)如圖7 所示。對比表5 中A、B 組試件的摩擦試驗結果可以看出，試環(huán)B1 表面經(jīng)CMT 熔覆SCu6180銅合金層后，其摩擦磨損性能可進一步提升，這歸結于熔覆的SCu6180 涂層為銅-鋁-鐵三元系高強度鋁青銅，其中的元素鐵形成FeAl3化合物并成為合金凝固時的結晶核心，使網(wǎng)狀的脆性(α+γ2)共析體轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，從而顯著提高合金的強度、硬度和耐磨性能，圖7a 顯示銅合金涂層經(jīng)摩擦磨損后僅有輕微的劃痕，具有良好的減摩作用，因此摩擦系數(shù)僅為0.12，與A1 組相比下降了30%(如圖7c)，從磨痕寬度及試塊表面磨損形態(tài)可以看出，B1 組鈦合金試塊經(jīng)120 min 磨損試驗后其表面未出現(xiàn)明顯磨損痕跡，磨損量極小，為滑動摩擦，耐磨性能優(yōu)異。

圖7 B 組試環(huán)磨損后宏觀形貌及摩擦系數(shù)Fig.7 Macromorphology and friction coefficient of group B test ring after wear

2.4 試環(huán)-試塊磨損表面微觀形貌

為了進一步研究試環(huán)、試塊的磨損形式，分別拍攝了經(jīng)120 min 磨損后A 組試環(huán)、試塊的磨損面掃描電鏡圖像如圖8 所示。

圖8 A 組試環(huán)-試塊磨損后微觀形貌Fig.8 Macromorphology of group A test ring-block after wear

從圖8 中可以看出A1 組TC6 鈦合金試塊磨損面主要以淺劃痕為主；A2 組試塊表面出現(xiàn)了黏著磨損引起的剝離現(xiàn)象如圖8d 圓圈處所示。從圖8 可以看出，A1 組試環(huán)摩擦面仍以劃痕為主；A2 組試環(huán)表面存在大量的黏著層，已經(jīng)基本觀察不到15-5PH 基體。從上述情況可以看出，A1 組試件在磨損過程中表現(xiàn)出滑動磨損的典型特征，磨損量較?。籄2 組試件則表現(xiàn)出明顯的黏著磨損特征[14]，鈦合金試塊磨損嚴重。

4 結 論

(1)鈦合金TC6 化學鍍鎳處理后，鍍層硬度可隨著溫度升高而提升，真空爐399 ℃處理，硬度可達906 HV1N，真空熱處理可釋放鈦合金在化學鍍鎳工藝過程吸收的氫，因此含氫量有所降低為104.28 mg/L。

(2)在壓強不大于28 MPa 的情況下，TC6 試塊與15-5PH 試環(huán)表面若不進行任何處理，即使采用15 號航空液壓油進行間歇潤滑，鈦合金試塊也會因發(fā)生黏著磨損迅速產(chǎn)生大的質(zhì)量損失，經(jīng)120 min 的磨損試驗其質(zhì)量損失已達355.3 mg；

(3)鈦合金表面經(jīng)過化學鍍鎳可大幅度提升TC6試塊的耐磨性能，摩擦系數(shù)從0.79 減小至0.32，經(jīng)120 min 的磨損質(zhì)量損失僅為1.5 mg；

(4)不銹鋼表面經(jīng)CMT 熔覆SCu6180 銅合金層后，其摩擦磨損性能進一步提升，其與未處理TC6 試塊間的摩擦系數(shù)為0.22，與化學鍍鎳處理過的TC6 試塊之間的摩擦系數(shù)僅為0.12，為滑動摩擦，磨損質(zhì)量較小，耐磨性能優(yōu)異。