鈦合金表面耐磨性能增強(qiáng)技術(shù)研究進(jìn)展＊

王冬玲，安江潮，劉思宇，王策，金超，馮明佳

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院，吉林 吉林 132101）

1 研究背景

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展時(shí)代的前提下，全球都面臨新的科技革命。為此，中國(guó)提出《中國(guó)制造2025》，航空航天業(yè)是其重要發(fā)展領(lǐng)域，航空材料加工是實(shí)現(xiàn)航空航天裝備智能制造的基礎(chǔ)[1]。

鈦合金是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬，具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、密度低、低溫性能好，在低溫和超低溫下仍能保持其力學(xué)性能、生物相容性好等多種良好特殊性能，其在航空航天、海洋、汽車、裝甲和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中得到越來(lái)越多的應(yīng)用[2-8]。在海洋中鈦合金已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在魚雷、艦艇、艦船等制造中。主要用在魚雷的彈體，潛艇的耐壓殼體、推進(jìn)器、管系、閥門以及聲學(xué)裝置等，艦船的泵、過(guò)濾器、管路、電器元件、緊固件等[9-12]。鈦合金在航空航天領(lǐng)域被廣泛用于軍機(jī)機(jī)身、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)起落架等零部件且使用比例逐年增長(zhǎng)，航空航天業(yè)發(fā)展重要指標(biāo)之一就是鈦合金的用量。鈦合金在汽車工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域也都有大量應(yīng)用，如汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、曲柄、連桿等，醫(yī)療器械中的人體關(guān)節(jié)替代以及手術(shù)器械。

盡管鈦合金有很多特殊性能，但也存在一定的缺點(diǎn)，如其較差的摩擦學(xué)性能，不能滿足強(qiáng)負(fù)荷下耐磨性，因而使其應(yīng)用受到一定限制。關(guān)于怎樣提高鈦合金表面耐磨性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，本文主要綜述現(xiàn)階段表面耐磨技術(shù)研究現(xiàn)狀以及對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行展望。

2 鈦合金表面耐磨性增強(qiáng)技術(shù)研究

2.1 表面改性技術(shù)

2.1.1 離子注入

離子注入技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種材料表面改性技術(shù)。離子注入是在真空中將高能帶電離子束射向金屬近表層，使其形成新的表面改性層[13]。其具有一定的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)涂層膜基結(jié)合問(wèn)題，工件不變形[14]，提高工件表面性能，涂層較薄是其主要缺陷。離子注入技術(shù)與噴漆等傳統(tǒng)工藝相比具有一定的優(yōu)點(diǎn)，其穩(wěn)定性好，能提高材料基體的使用壽命；其跟物理和化學(xué)氣相沉積比，膜層抗剝落能力強(qiáng)，與基體結(jié)合好。離子注入種類主要有非金屬元素和金屬元素，近年來(lái)離子注入技術(shù)有向多元注入和離子注入復(fù)合工藝發(fā)展趨勢(shì)，可以更加顯著增強(qiáng)材料性能。有研究表明，將N3-注入Ti6Al4V 基體表面，新生成的薄膜可以使鈦合金耐磨性提高2.5 倍[15]。

2.1.2 熱噴涂

熱噴涂是將噴料用熱源加熱熔化，并用高速氣流將融化后的噴料霧化成顆粒，并以很高的速度噴射到經(jīng)過(guò)處理的基體表面形成涂層。根據(jù)不同需要選擇不同涂層材料，可以獲得不同性能基體表面，常見(jiàn)的有耐磨、耐腐蝕、抗氧化等。對(duì)于提高鈦合金表面耐磨性常用的噴料一般為單質(zhì)金屬材料，如Al、Ni 及合金材料TiN、NiCrAl、MCrAlY 等[16]。常用耐磨涂層如表1 所示。有研究表明[17]，用噴料鋁在鈦合金表面進(jìn)行噴涂，該涂層在低溫下堅(jiān)硬，但容易發(fā)生脫落。

2.1.3 激光熔覆

激光熔覆也被稱為激光包覆，它通過(guò)在基材表面預(yù)先添加熔覆材料，或是將粉末與激光束同步輸送，利用高能密度的激光束使熔覆材料與基材表面薄層一起熔凝，從而與基體形成冶金結(jié)合。激光熔覆工藝示意圖如圖1 所示。

圖1 激光熔覆工藝示意圖[19]

有諸多因素影響激光熔覆層的質(zhì)量，如激光功率大小、激光束尺寸直徑、激光掃描速度或者工件運(yùn)動(dòng)速度[19]。MAHAMOOD 等[20]研究了激光掃描速度對(duì)Ti6Al4V/TiC 復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果表明隨著掃描速度增加，其耐磨性能也隨之提高，但是掃描速度有一定的界限值。只有在合適的工藝參數(shù)下，鈦合金通過(guò)激光熔覆才能獲得性能優(yōu)異的涂層。激光熔覆的添料方式有2 種，即預(yù)置式和同步式，如圖2 所示。

圖2 激光熔覆添料方式[21]

預(yù)置式即需將熔覆的材料提前放置在基體材料表面，然后使用激光束對(duì)熔覆材料進(jìn)行熔化。同步式即是在激光熔覆采用激光束掃描的過(guò)程中，同時(shí)把熔覆材料用噴嘴直接送入激光束里，送料和熔覆工作是同時(shí)進(jìn)行的，最終可以在基體表面形成熔覆膜層。2 種添料方式相比，同步式成型好，熔覆層質(zhì)量和性能高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制優(yōu)點(diǎn)。

2.2 微弧氧化復(fù)合處理技術(shù)

目前在工業(yè)產(chǎn)業(yè)對(duì)鈦合金使用需求的驅(qū)使下，復(fù)合涂層技術(shù)也日漸興起。其中微弧氧化技術(shù)擁有環(huán)保、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在外電源作用下，短時(shí)間即可形成較高硬度、附著力高的氧化膜[22]。此膜層既可以單獨(dú)使用，也可以進(jìn)行各種后處理，提高工件承載能力。因此，它也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

提高材料摩擦學(xué)性能的有效方法之一，是在微弧氧化膜基礎(chǔ)上，采用適宜的后處理工藝。其中，最簡(jiǎn)單實(shí)用的一種方式是機(jī)械拋光。微弧氧化膜的多孔結(jié)構(gòu)影響其硬度和表面質(zhì)量，機(jī)械拋光去除一定厚度的外表層，可使其露出致密層結(jié)構(gòu)且使表面硬度提高，繼而提高材料的耐磨性[23]。另外還有在微弧氧化膜基礎(chǔ)上進(jìn)行水熱法加工，該方法是將反應(yīng)介質(zhì)裝在密封的壓力容器中，并將容器進(jìn)行加熱處理，使容器內(nèi)部達(dá)到高溫高壓的狀態(tài)，此時(shí)，難溶物質(zhì)會(huì)溶解和重結(jié)晶[24]。VANGOLU 等[25]研究了鈦合金在微弧氧化后與水熱法復(fù)合處理技術(shù)下表面膜的耐磨性能；實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與僅進(jìn)行微弧氧化處理的鈦合金相比，復(fù)合改性膜在一定條件下摩擦系數(shù)降低，磨損率也降低，提高了膜層的耐磨性；但在高載荷作用下該復(fù)合改性膜層耐磨性能減弱，因此應(yīng)用有一定載荷限制。

3 結(jié)論與展望

鈦合金表面耐磨增強(qiáng)技術(shù)在不斷更新，除了像離子注入、熱噴涂、激光熔覆等單一表面耐磨改性技術(shù)外，還有微弧氧化復(fù)合處理技術(shù)，文中提到了該技術(shù)的2 種處理方法。解決熱噴涂技術(shù)問(wèn)題的方法和發(fā)展趨勢(shì)尚待研究，未來(lái)在噴涂材料和涂層設(shè)計(jì)以及工藝方法仍需加強(qiáng)理論基礎(chǔ)研究。激光表面改性可以提高鈦合金表面耐磨性，但其還有很多需要改善的方面，如加工成本降低、環(huán)保性提升以及激光加工參數(shù)優(yōu)化，應(yīng)加強(qiáng)數(shù)值模擬分析和梯度功能涂層的研究。離子注入復(fù)合對(duì)改善材料表面性能有一定的提高，但其工藝的組合及理論還需要進(jìn)一步研究和完善。微弧氧化技術(shù)的環(huán)保性高、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，其表面處理技術(shù)有一定的優(yōu)勢(shì)，但其相關(guān)理論基礎(chǔ)還需要進(jìn)一步完善。隨著科技發(fā)展，學(xué)者們對(duì)鈦合金表面耐磨性能增強(qiáng)技術(shù)的研究會(huì)有進(jìn)一步的突破，會(huì)改進(jìn)目前處理技術(shù)的缺點(diǎn)和完善相關(guān)理論知識(shí)，從而拓寬鈦合金的應(yīng)用范圍。