余成君

摘 ? 要：從鈦合金摩擦磨損的外部影響因素以及摩擦過程產(chǎn)物出發(fā)，綜述了有關(guān)鈦合金摩擦磨損性能與機理的研究認識，總結(jié)了當下較為常用的4類表面處理方法，即表面改性技術(shù)、表面涂鍍技術(shù)、表面合金化技術(shù)以及表面復合處理技術(shù)。最后指出了當前改善技術(shù)存在的不足，并對鈦合金摩擦磨損性能的研究方向作出了展望。

關(guān)鍵詞：鈦合金;摩擦磨損機理;表面處理技術(shù)

鈦合金自20世紀50年代實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)之后，由于其具備生物相容性、超導、儲氫、形狀記憶等獨特功能，而被廣泛應用在醫(yī)療器械、化工、航天航空、艦船等領(lǐng)域[1]，成為一種不可或缺的材料。一直以來，由于鈦合金的低摩擦學屬性，在實際工業(yè)應用中，鈦合金的表面很容易發(fā)生摩擦磨損[2]，鈦合金的摩擦磨損性能較差可認為有以下幾個原因：（1）加工硬化率及塑性剪切抗力低。（2）摩擦過程閃溫致使氧化膜脆弱易脫落。（3）表面硬度較差。鈦合金應用越廣泛，所產(chǎn)生的磨損問題越多、越復雜[3]。因此，理解并掌握鈦合金在不同使用環(huán)境中的摩擦磨損機理是改善鈦合金摩擦磨損性能的重要研究步驟，但是在當前關(guān)于鈦合金摩擦磨損機理的有限研究中，許多解釋還存在不統(tǒng)一的狀況。因此，本研究對當前的研究狀況進行了綜述，并根據(jù)影響因素總結(jié)了一些常用的表面處理技術(shù)。

1 ? ?鈦合金的摩擦磨損

鈦合金因其優(yōu)異的性能而在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應用，然而，每種材料都有其優(yōu)缺點。鈦合金因表面硬度較低、摩擦磨損性能較差，在很多情況下并不能滿足實際生產(chǎn)要求。針對鈦合金摩擦磨損性能不足這一缺點，研究者做了大量研究，主要是為掌握鈦合金摩擦磨損的機理，從而為改善鈦合金的低摩擦學性能提供理論依據(jù)，鈦合金的摩擦磨損形式主要有：沖蝕磨損、腐蝕磨損、粘著磨損、疲勞磨損以及微動磨損等[4]，在通常情況下，這幾種形式的磨損是同時發(fā)生的，工況條件不同，磨損形式的主次也不同。

2 ? ?鈦合金摩擦磨損的影響因素

2.1 ?外部條件的影響

因鈦合金的塑性剪切抗力及加工硬化率較低，實際服役過程中，影響鈦合金摩擦磨損性能的因素主要有載荷、位移幅值、溫度、環(huán)境介質(zhì)、對磨材料等。

2.1.1 ?載荷

在實際工況使用中，鈦合金所能承載的質(zhì)量大小與所產(chǎn)生的磨損程度是重要的使用指標。因此，弄清楚載荷與鈦合金磨損率的關(guān)系，顯得尤為必要。胡林泉等[5]對TC4鈦合金進行了在不同載荷（130 g，230 g，330 g）下的干摩擦試驗。結(jié)果表明，摩擦因數(shù)隨著載荷的增大而增大，同時，磨痕將更寬、更深，磨損體積增加，磨損更加嚴重。其主要磨損機制為磨粒磨損以及少量的黏著磨損，并伴有一定程度的有氧化磨損。景鵬飛等[6]在不同載荷下對TC4鈦合金的磨損體積與磨損率進行了測試，結(jié)果表明，隨著載荷的增加，磨損體積與磨損率都在不同程度地增大。王蘭[7]對TC4鈦合金與GCr15對磨的研究表明，在25～200 ℃下，TC4鈦合金的磨損率與載荷幾乎成線性關(guān)系?？梢?，TC4鈦合金的磨損率隨所承載的法向載荷增大而變大。

2.1.2 位移幅值

在航空航天、海洋船舶等領(lǐng)域，鈦合金微動磨損造成的損失難以估量，而位移幅值對其有著較大的影響。景鵬飛等[6]在不同位移幅值下對TC4鈦合金進行了摩擦磨損測試，結(jié)果表明，小位移幅值下，TC4鈦合金的磨損率明顯低于大位移幅值下的磨損率。郭薇等[8]也指出位移幅值與摩擦系數(shù)的關(guān)系，隨著位移幅值的增大，摩擦系數(shù)迅速增大，當?shù)竭_100 μm時，摩擦系數(shù)達到最大，之后摩擦系數(shù)又逐漸減少。這是由于不同的位移幅值將導致合金表面產(chǎn)生形貌差異，當位移幅值增大時，磨屑顆粒變小，形狀由塊狀向球狀轉(zhuǎn)變。但隨著位移幅值的進一步增大，球狀的顆粒又由于摩擦熱的影響而黏結(jié)成膜狀，這一結(jié)構(gòu)的形成，增大了微動摩擦系數(shù)，此外，當位移幅值增大時，鈦合金表面會發(fā)生較嚴重的氧化，并伴隨氮化物的形成。

2.1.3 ?溫度

陸海峰等[9]以TC4-DT鈦合金作為研究對象發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，TC4-DT鈦合金的摩擦系數(shù)和磨損率都不斷降低，下降的原因可認為是溫度升高，氧元素質(zhì)量濃度不斷增大，合金表面形成一層氧化薄膜，這層薄膜在一定程度上減輕了磨損。隨著溫度的升高，TC4-DT鈦合金的磨損機制則由以粘著磨損、磨粒磨損為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詣儗幽p、氧化磨損為主。謝小飛等[10]在研究溫度對TC4鈦合金摩擦磨損性能的影響時，也發(fā)現(xiàn)從室溫至600℃范圍內(nèi)，TC4鈦合金的磨損量、平均摩擦系數(shù)隨著溫度的升高而減小，與低溫時相比，高溫時產(chǎn)生了氧化磨損。研究結(jié)果表明磨損量、平均摩擦系數(shù)都與溫度成負相關(guān)的關(guān)系。

2.1.4 ?環(huán)境介質(zhì)

鈦合金并不只是在大氣環(huán)境下使用，也會在一些苛刻環(huán)境下作業(yè)，例如真空、海水以及其他氣體氛圍。因此，分析不同環(huán)境介質(zhì)對鈦合金摩擦磨損性能的影響有著重要意義。劉勇等[11]通過分析TC4鈦合金在真空以及空氣中的磨損率，發(fā)現(xiàn)在載荷和滑移速度等外界條件相同，TC4鈦合金在空氣中的磨損率明顯大于真空中的磨損率。徐勇利等[12]在分析TA11鈦合金分別在氬氣和空氣環(huán)境中的應用指出，外部因素使表層氧化膜破碎，產(chǎn)生大量磨屑，會導致在空氣環(huán)境中的磨損率迅速上升且遠大于在氬氣中的磨損率。趙威等[13]也指出，氮氣氛圍會對鈦合金具有一定的減磨作用，氧化會在一定程度上增大鈦合金的磨損率。李新星[14]研究發(fā)現(xiàn)，在模擬海水、純水、空氣3種介質(zhì)中，磨損率依次降低。由此表明，在不同的環(huán)境介質(zhì)中鈦合金有不同的耐磨性，環(huán)境介質(zhì)對于鈦合金的摩擦磨損有著顯著的影響。

2.1.5 ?對磨材料

對磨材料也會對鈦合金的摩擦磨損產(chǎn)生重要影響。張忠杰[15]使TC4鈦合金在相同載荷、頻率、深冷處理時間下分別與ZrO2陶瓷球、Si3N4陶瓷球?qū)δィl(fā)現(xiàn)硬度更大的Si3N4陶瓷球摩擦系數(shù)更大，磨損更嚴重。ZHANG等[16]在室溫下分別用3種不同硬度等級的AISI 52100鋼與鈦合金進行對磨，在滑移速度相同的條件下，硬度更高的對磨材料會導致鈦合金的磨損情況更嚴重，鈦合金的磨損率與對磨材料的硬度呈正相關(guān)的關(guān)系，可能是因為硬度更高的對磨材料更容易破壞鈦合金基體的保護膜，使裸露的基體直接作用于磨球。

2.2 ?摩擦產(chǎn)物的影響

摩擦磨損的過程是一個復雜的材料表層損傷過程，在該過程中產(chǎn)生的摩擦氧化物以及溫度升高的現(xiàn)象，也會對鈦合金的耐磨性能產(chǎn)生重要影響。

2.2.1 ?摩擦熱

在與對磨材料對磨的過程中，不可避免地會產(chǎn)生熱量。當轉(zhuǎn)速較低，所產(chǎn)生的摩擦熱很少時，對鈦合金的摩擦磨損性能影響并不明顯，但當轉(zhuǎn)速較高時，產(chǎn)生較多的熱量使鈦合金的磨損機理復雜化。邱勇等[17]研究摩擦熱對TC4鈦合金耐磨性的影響時指出，摩擦溫度升高到550～600 ℃時，存在于空氣中的氧、氮元素極易滲入合金表層，形成Ti和V的氧化物，使其耐磨性下降。同時，滲氮而形成的氮化物VN具有較大脆性[18]，使得Ti6Al4V的次表層出現(xiàn)裂紋，從而降低了耐磨性。另一方面，當摩擦溫度達到800 ℃時，鈦合金的磨損率反而降低。這表明鈦合金并非在所有溫度下都具有較差的耐磨性，有利于促進鈦合金在高溫服役下的應用研究。

2.2.2 ?摩擦氧化物

摩擦氧化物可認為是在摩擦磨損的過程中，由于摩擦熱或環(huán)境溫度的影響，金屬的氧化加劇而形成的產(chǎn)物。傳統(tǒng)觀點認為，這是導致鈦合金耐磨性低的原因[19-20]。但REN等[21]在研究鈦碳化硅（Ti3SiC2）的摩擦學性能時發(fā)現(xiàn)，鈦合金與鈦碳化硅對磨時形成的氧化物薄膜可有效降低鈦合金的磨損率。王蘭等[22]在研究摩擦層對TC4鈦合金的摩擦磨損影響時指出，在摩擦過程中形成的TiO2，TiO產(chǎn)物，使得TC4鈦合金的磨損率明顯下降。研究結(jié)果表明，摩擦磨損過程中生成的氧化物可以使合金的磨損率降低。

從當前研究來看，在不同條件下，鈦合金的摩擦磨損機理也并不相同。通常是幾種磨損機制的組合，對磨材料、溫度、位移幅值、滑移速度、摩擦產(chǎn)物等都會影響鈦合金的摩擦磨損機制，同時，不同影響因素之間又相互影響。因此，對于鈦合金的摩擦磨損機理還需要做進一步的研究，分析不同影響因素之間的聯(lián)系與區(qū)別，加深對鈦合金摩擦磨損的認識。

3 ? ?鈦合金摩擦磨損性能的改善

因摩擦磨損是金屬表面的損傷，所以，鈦合金摩擦磨損性能的改善主要通過表面處理技術(shù)實現(xiàn)，以促進在磨損工況下的使用。鈦合金常見的表面處理技術(shù)為：表面改性技術(shù)、表面涂鍍技術(shù)、表面合金化技術(shù)、表面復合強化處理技術(shù)等等。這些技術(shù)主要是從物理或從化學途徑，乃至兩種途徑結(jié)合，進行基體表面組織結(jié)構(gòu)、化學成分等的改變，以提高鈦合金的摩擦磨損性能。

3.1 ?表面改性技術(shù)

表面改性技術(shù)是采用化學、物理的方法改變材料表面的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、應力狀態(tài)等，以改變材料的表面性能。常見的有3束改性（激光束、離子束、電子束）等。

李嘉寧[23]通過在TC4鈦合金表面激光熔覆Ti-Al的金屬間化合物和陶瓷復合粉末，形成的熔覆層極大地提高了鈦合金的耐磨性與顯微硬度。劉丹等[24]在TC4鈦合金的表面熔覆TiB2，TiC與Ni的混合粉末，制備了均勻致密的混合涂層，之后分別與45號圓鋼進行摩擦磨損測試，結(jié)果表明，熔覆層的顯微硬度較基材提高了約2.5倍，磨損量僅為基材的3.5%。楊慧[25]在TC4鈦合金的表面注入碳離子，在基體表面形成一層無序膜，且碳化物彌散分布在基體表層。通過在相同載荷下對未經(jīng)離子化處理的鈦合金與經(jīng)離子化處理的鈦合金進行摩擦磨損測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳離子注入的合金摩擦系數(shù)更低，磨損率也更低。況軍等[26]在研究強脈沖電子束對TA15的耐磨性影響時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過工藝參數(shù)合理的電子束處理后，鈦合金的耐磨性較未處理樣品提高了近3倍。

3.2 ?表面涂鍍技術(shù)

表面涂鍍技術(shù)是指通過一系列物理或化學的方式在基體材料表面形成一層涂層或者鍍層，從而達到使材料表面獲得微米化、納米化的單層或多層材料的目的，以便達到特殊的使用要求。常見的表面涂鍍技術(shù)有熱噴涂、化學鍍、電鍍、氣相沉積、微弧氧化和磁控濺射等。

王成[27]通過使用超音速火焰噴涂技術(shù)和球狀WC-Co粉末，成功在TC18的鈦合金基體表面制造出WC-12Co涂層。摩擦磨損性能試驗，結(jié)果表明，涂層的摩擦系數(shù)小于TC18鈦合金的摩擦系數(shù)，且磨損體積也遠小于TC18鈦合金基體。李兆峰等[28]利用等離子噴涂技術(shù)在鈦合金表面制備了含Al2O3、TiO2的陶瓷鍍層。經(jīng)耐磨性試驗后發(fā)現(xiàn)，涂層樣的耐磨性顯著高于基體材料的耐磨性，涂層樣的摩擦系數(shù)僅為基體材料的38.8%，磨損量僅為1.29%。孫文峰[29]通過在TC4鈦合金的表面電鍍Ni-P鍍層使得鈦合金的耐磨性明顯提高，在摩擦磨損時受到更小的阻力。趙立才[30]采用在鈦合金的表面化學鍍Ni-P的方法，提高了鈦合金的耐磨性，同時發(fā)現(xiàn)，熱處理后有利于提高鍍層的耐磨性與硬度。齊玉明等[31]用較高濃度的鋁酸鹽電解液在TC4鈦合金表面制備了微弧氧化膜，并研究其摩擦磨損性能，高硬度氧化膜成分是Al2TiO5，γ-Al2O3以及少量金紅石型TiO2，并發(fā)現(xiàn)增大電解液濃度可有效增大微弧氧化膜的硬度，進而使膜層的耐磨性得以提升。黃潔雯[32]研究陰極等離子體電解（CPED）沉積機制時，在鈦合金的表面制備了一層HA-Ti（C， N）-TiO2復合膜，并發(fā)現(xiàn)膜中HA的質(zhì)量濃度越大，鈦合金的耐磨性越好，在1 142 ℃下，進行30 mins CPED制得的復合膜具有最好的耐磨性。潘曉龍等[33]采用TiAl作為合金靶材，通過磁控濺射的方式，在TC4鈦合金的表面沉積了TiAlN涂層，與TC4鈦合金的磨損質(zhì)量相比，鍍層失重約為基體材料的80%，摩擦磨損性能得到了較大的提高。

3.3 ?表面合金化技術(shù)

表面合金化技術(shù)是指通過物理或化學方法，添加物質(zhì)進入材料基體表面，改善金屬表面層的組成與結(jié)構(gòu)，形成一層合金化層，進而對基體材料起到保護作用。

楊闖等[34]在不同溫度下對TC4鈦合金進行低壓真空滲氮處理，并研究其耐磨性能的變化。處理后，在鈦合金基體表層形成了TiN和Ti2AlN的改性層，硬度及耐磨性都有顯著增強，并且溫度達到820 ℃時效果最好。汪旭東[35]在對鈦合金進行滲硼20 h處理后，將試樣與鈦合金基體分別與ZrO2對磨，結(jié)果表明，鈦合金基體的摩擦系數(shù)在0.55～0.70，而試樣穩(wěn)定在0.38左右，磨損量也明顯降低，鈦合金的摩擦磨損性能顯著提高。

3.4 ?表面復合強化處理技術(shù)

表面復合強化處理技術(shù)[36]是指將多種表面強化處理方法綜合應用或者將多種能量場復合使用的一種新型技術(shù)手段。通過合理設計把多種強化技術(shù)結(jié)合使用，進而彌補單一強化處理的缺點，得到綜合性能更加優(yōu)異的表面強化層。將多種能量場復合可以起到調(diào)控反應過程及增強強化效果的作用。雖然復合表面強化技術(shù)潛力巨大，但目前還不夠成熟，存在處理過程難以精準控制、操作復雜、能耗較高等問題。

杜春燕[37]的研究發(fā)現(xiàn)，在TC4鈦合金表面通過強電子束+微弧氧化處理后，所得到的復合改性層和微弧氧化層相比，有更小的摩擦系數(shù)與磨損量，耐磨性得到顯著提高。王明政[38]通過運用離子滲氮+激光表面織構(gòu)技術(shù)對TC4鈦合金進行表面強化處理，所得到的復合改性層表面硬度有較大提升，減輕了粘著磨損、磨粒磨損，TC4鈦合金在真空或大氣氛圍下摩擦磨損性能得到顯著提升。為提高鈦合金的耐磨性，顧艷紅等[39]利用超聲波冷鍛技術(shù)對鈦合金進行預處理，再采用微弧氧化技術(shù)制備涂層，研究結(jié)果表明，以超聲波冷鍛做預處理，微弧氧化層的摩擦磨損性能得到顯著提高。

4 ? ?結(jié)語

目前，國內(nèi)外關(guān)于改善鈦合金低摩擦學性能的方式大多集中在表面處理技術(shù)的優(yōu)化與不同組合方面，除了上述技術(shù)，近年來也出現(xiàn)了如表面納米化、脈沖等離子爆炸、輝光離子等技術(shù)。雖然現(xiàn)有的眾多技術(shù)都能使鈦合金的摩擦學性能得以改善，但這些技術(shù)大多處于實驗室階段，有較高的成本與能源消耗，且工藝復雜，大多易有環(huán)境污染等問題。另一方面，這些方法制備的表面復合層大多深度較淺，在幾百微米以下，在實際工業(yè)應用中，大載荷、高溫、腐蝕等復雜條件下，使用效果并不令人滿意，為了能使鈦合金在復雜工況下使用，未來可以從以下幾個方面考慮對其耐磨性進行改善：（1）對現(xiàn)有的表面處理工藝進行優(yōu)化改進，使表面復合層硬度和深度得到更大程度的提高;（2）通過在鈦合金表面制備更加優(yōu)異的合金層，使得鈦合金的耐磨性得到更好的改善;（3）除了對表面處理技術(shù)的研究，應對鈦合金自身的摩擦磨損行為與機理進行更深入的研究，對鈦合金的磨損行為進行系統(tǒng)性的闡釋與分析。

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