張瑩，許金凱，廉中旭，于化東

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

自古以來，摩擦學(xué)問題一直伴隨在人們整個(gè)生產(chǎn)和生活的過程中，由摩擦導(dǎo)致的磨損問題嚴(yán)重影響工件的使用壽命和周期，因此，降低材料磨損提高材料的抗磨性成為廣大學(xué)者一直致力研究的課題。

鈦合金材料具有低密度、高強(qiáng)度、耐腐性等優(yōu)良的性能，其廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、船舶、化工等領(lǐng)域。但隨著鈦合金的深入應(yīng)用，鈦合金耐磨性差的問題逐漸暴露出來。因此，人們對鈦合金表面摩擦性能的改性在物理和化學(xué)方面提出很多種方法，如：激光合金化［1-2］、陽極氧化［3］、滲氮［4］、物理沉積［5］、離子注入［6］等。近些年來，表面織構(gòu)法在改善表面摩擦性能方面有很大的作用，比如Etsion［7］在內(nèi)燃機(jī)密封環(huán)表面制備了一系列不同深度、直徑、面積的微坑，研究其摩擦性能，探究出微坑最優(yōu)深徑比，使油膜的剛度和PV值達(dá)到最大化，改善了內(nèi)燃機(jī)性能。Wan等人［8］也曾利用 Nd：YAG激光器在T8鋼表面制備微孔，通過摩擦實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，結(jié)果表明流體動(dòng)力效應(yīng)可以提高端面密封的最大PV值。許等人［9］利用激光-電火花復(fù)合的方法加工出微納復(fù)合的凹坑結(jié)構(gòu)，證明此結(jié)構(gòu)能有效地降低摩擦系數(shù)。歷等人［10］在316 L不銹鋼表面制備不同形狀尺寸溝槽并進(jìn)行相應(yīng)的摩擦試驗(yàn)，研究結(jié)果表明在其實(shí)驗(yàn)條件下溝槽具有最佳減摩效果，尺寸參數(shù)為：寬度100 μm，間距 200 μm。王等人［11］在鈦合金表面做網(wǎng)格、點(diǎn)陣、溝槽三種不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，探究最佳表面構(gòu)形，得出了網(wǎng)格型織構(gòu)的摩擦因數(shù)比溝槽型和點(diǎn)陣型織構(gòu)更小并且更穩(wěn)定的結(jié)論。Daniel等人［12］利用納秒激光在鈦合金表面做直線結(jié)構(gòu)并進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)探究。為進(jìn)一步分析此種結(jié)構(gòu)的磨損機(jī)理通過使用能譜EDX和掃描電鏡STEM研究直線結(jié)構(gòu)側(cè)面產(chǎn)生熔融膨脹的再溶解材料，結(jié)果表明：間隙氧元素和氮元素的含量增加并且出現(xiàn)純馬氏體α組織，因此將材料磨損降低的原因解釋為塑性變形的臨界限制和間隙元素對鈦原子電子鍵的飽和，從而導(dǎo)致粘著傾向降低進(jìn)而降低鈦合金表面磨損。綜上，為研究鈦合金表面織構(gòu)化在潤滑介質(zhì)中的摩擦性能，與其上探究不同，胡等人［13］利用激光加工在45號(hào)鋼表面做微坑結(jié)構(gòu)，然后在干摩擦條件下做摩擦試驗(yàn)，結(jié)果表明織構(gòu)化與未織構(gòu)化的45號(hào)鋼均有較小的摩擦系數(shù)和磨損率。還有一些學(xué)者［14-15］在鈦合金表面構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)和固體潤滑薄膜/固體添加劑相結(jié)合的方式來降低其摩擦系數(shù)提高表面抗磨性能。連等人［16］利用激光加工在Ti6Al4V表面分別構(gòu)筑直線織構(gòu)、網(wǎng)格織構(gòu)和凹坑織構(gòu)并研究其摩擦性能。

綜上所述，鈦合金表面構(gòu)筑溝槽結(jié)構(gòu)在不同對摩角度下摩擦性能的研究很少見到，因此，本文為填補(bǔ)有關(guān)實(shí)驗(yàn)的空缺，將進(jìn)行的主要相關(guān)探究內(nèi)容為低速低載荷干摩擦條件下鈦合金表面構(gòu)筑不同間距溝槽結(jié)構(gòu)在不同對摩角度下的摩擦性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件表面的制備

試樣材料采用Ti6AL4V型號(hào)的鈦合金，其尺寸為20 mm×10 mm×2 mm，織構(gòu)化處理前分別用400目、800目、1 000目、2 000目的砂紙進(jìn)行打磨，然后將試樣用乙醇進(jìn)行超聲清洗5 min再進(jìn)行烘干。將試樣在型號(hào)為YLP-ST20的激光打標(biāo)機(jī)上進(jìn)行表面織構(gòu)化處理，并將試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為：打標(biāo)速度500 mm/s、次數(shù)5次、功率10 W。然后得到鈦合金試樣表面織構(gòu)化參數(shù)為：間距分別為100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm，寬度為47 μm，深度為16 μm的溝槽。

1.2 摩擦學(xué)試驗(yàn)

摩擦學(xué)試驗(yàn)在RTEC摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，用201不銹鋼鋼球作為摩擦副的上試件，下試件為Ti6AL4V鈦合金。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為：行程為2 mm，滑動(dòng)速度為0.3 mm/s，摩擦?xí)r間分別為10 min、30 min，摩擦力分別為1 N、3 N，加速度為0.1 mm/s2。分別對光滑表面和槽間距分別為 200 μm、300 μm、400 μm 的三種鈦合金溝槽表面進(jìn)行對摩角度為90°的摩擦試驗(yàn)；槽間距為100 μm和500 μm的鈦合金溝槽表面在對摩角度分別為 0°、30°、60°、90°的條件下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。試件摩擦試驗(yàn)過程中對摩角度示意圖如圖1所示，其中L為溝槽間距L=100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm，其中 A 處箭頭是槽的方向，B處箭頭是磨痕方向，試件是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的，夾角α=0°、30°、60°、90°。

圖1 試件摩擦試驗(yàn)時(shí)對摩角度示意圖

1.3 表面結(jié)構(gòu)表征

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對磨損前和磨損后的鈦合金表面進(jìn)行形貌的觀測。磨損前后鈦合金試樣分別進(jìn)行如下處理：磨損前鈦合金試樣的幾種形式為，鈦合金光滑表面，溝槽間距分別為 300 μm、400 μm、500 μm 鈦合金溝槽表面；對鈦合金試樣進(jìn)行的磨損處理為，以對摩角度為90°進(jìn)行鈦合金光滑表面和溝槽間距分別為300 μm、400 μm、500 μm 的鈦合金溝槽表面進(jìn)行磨損處理；對溝槽間距為500 μm鈦合金溝槽表面進(jìn)行對摩角度分別為 0°、30°、60°、90°的磨損處理。并用能譜（EDS）對鈦合金光滑試件以及在對摩角度為90°下槽間距為500 μm的鈦合金溝槽試件磨損前后表面進(jìn)行相應(yīng)的元素分析。

1.4 磨痕三維形貌觀測

采用激光共聚焦顯微鏡（LSM）對鈦合金光滑表面和溝槽間距為500 μm以90°對摩角度磨損處理后的鈦合金溝槽表面三維形貌進(jìn)行觀察并對相應(yīng)的磨痕深度進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 磨損前形貌和元素分析

圖2顯示了不同溝槽間距的鈦合金溝槽表面形貌。從圖2（a）只能看到試件研磨后的輕微擦傷，但從圖 2（b）-圖 2（d）可以看出鈦合金表面形成了清晰可見的間距分別為300 μm、400 μm、500 μm的溝槽，并且可以發(fā)現(xiàn)溝槽側(cè)面具有由熔融噴濺物形成的顆粒狀物質(zhì)。

圖2 不同間距溝槽和光滑表面磨損前形貌

如圖3所示為鈦合金光滑表面和溝槽表面磨損前的元素分布情況。從圖3（a）可以看出光滑表面中Ti元素的百分含量為87.4%，從圖3（b）可以看出間距為500 μm的溝槽表面Ti元素的百分含量為74.2%，O元素的含量為16.5%，將溝槽表面與光滑表面中的元素含量進(jìn)行對比可以看出溝槽表面中Ti元素的含量明顯降低，而O元素的含量明顯升高，其原因可能是激光在鈦合金表面加工溝槽的過程中產(chǎn)生鈦的氧化物。

圖3 光滑和500 μm溝槽間距表面磨損前元素分布

2.2 鈦合金不同處理表面摩擦系數(shù)分析

圖4為光滑表面與間距不同（100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm）的溝槽表面在對摩角度為90°的情況下進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)得到的摩擦曲線。從圖4可以看出：光滑表面摩擦曲線始終起伏變化比較劇烈；溝槽表面在0～5 s時(shí)摩擦曲線有逐漸增大的趨勢，但是由于溝槽的存在減少了摩擦副間的接觸面積，5 s后摩擦系數(shù)曲線起伏度逐漸降低并于100 s后逐漸穩(wěn)定下來。由圖5可以看出不同溝槽間距（100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm）的摩擦系數(shù)分別為0.273 2、0.196 4、0.193 9、0.192 0、0.171 7，由此，可以得出：隨著溝槽間距的增大摩擦系數(shù)有逐漸減小的趨勢。并由圖4可以得到光滑表面的摩擦系數(shù)為0.377 9，通過計(jì)算可以得到不同間距的摩擦系數(shù)分別減少了：27.7%、48.0%、48.7%、49.2%、54.6%，因此，可知500 μm間距溝槽的摩擦系數(shù)最小。

圖4 不同間距溝槽與光滑表面摩擦曲線

圖5 不同間距溝槽表面摩擦系數(shù)

從圖6中可以得出不同對摩角度下（0°、30°、60°、90°）間距為 100 μm 的溝槽表面摩擦曲線以及摩擦系數(shù)。如圖6（a）所示：對摩角度為90°的摩擦曲線始終在所有摩擦曲線的上方且波動(dòng)較大；其他對摩角度的摩擦曲線在440 s后都有一個(gè)略微上升的趨勢。由圖6（b）可以得出：不同對摩角度下所對應(yīng)的摩擦系數(shù)分別為0.245 9、0.242 2、0.234 4、0.273 2，并通過計(jì)算可以得到不同對摩角度下的摩擦系數(shù)分別減少了34.9%、35.9%、38.0%、27.7%，并且在對摩角度60°的情況下摩擦系數(shù)最小。

圖6 不同對摩角度下100 μm間距溝槽表面摩擦曲線及摩擦系數(shù)

圖7所示為不同對摩角度溝槽間距為500 μm表面的摩擦曲線以及摩擦系數(shù)。由圖7（a）可以得出：對摩角度分別為 30°、60°、90°的所對應(yīng)的摩擦曲線在0～20 s略微上升，20 s之后略有降低且到40 s后變得平穩(wěn)些，對摩角度為0°的摩擦曲線趨勢為0～20 s先增大然后一直處于較穩(wěn)定狀態(tài)。從圖7（b）可以看出：不同對摩角度下的摩擦系數(shù)分別為0.276 9、0.194 4、0.156 8、0.171 7，并通過計(jì)算可以得出不同對摩角度下的摩擦系數(shù)分別減少了26.7%、48.6%、58.5%、54.6%，并且在對摩角度60°的情況下摩擦系數(shù)最小。

圖7 不同對摩角度下500 μm間距溝槽表面摩擦曲線以及摩擦系數(shù)

2.3 磨損后表面形貌和元素分析

圖8所示分別為光滑表面和不同溝槽間距（300 μm、400 μm、500 μm）的鈦合金表面在對摩角度為90°的情況下磨損后形貌。

圖8 不同間距溝槽與光滑表面磨損后形貌

圖8（a）可以得出：光滑表面磨痕較深且有明顯的犁溝現(xiàn)象，主要是黏著磨損為主。圖8（b）圖8（d）所示溝槽表面磨痕較淺且其溝槽表面主要從磨粒磨損為主；溝槽表面磨痕淺的原因可能是溝槽起到了捕獲微小磨粒減少犁溝效應(yīng)的作用；間距為500 μm鈦合金溝槽表面磨痕最淺。

圖 9所示為不同對摩角度下（0°、30°、60°）鈦合金溝槽表面磨損后形貌。從圖9（a）可以看出：溝槽在對摩角度為0°時(shí)磨損最嚴(yán)重，有明顯的犁溝現(xiàn)象，部分溝槽被磨平，主要為磨粒磨損。對摩角度為 0°、30°、60°、90°（圖 9（a）-圖 9（c），圖8（d））的溝槽表面相比較可以得出：0°磨損最嚴(yán)重、90°磨損最輕微，原因可能是在對摩角度為0°的情況下磨屑只能通過往返運(yùn)動(dòng)擠壓進(jìn)溝槽，而其他角度磨屑可以沿著溝槽的磨痕方向順利進(jìn)入溝槽內(nèi)，所以磨損相比較輕；對摩角度為90°時(shí)鈦合金溝槽表面磨損情況最為輕微，其原因?yàn)?0°時(shí)磨屑能更加容易進(jìn)入溝槽內(nèi)使溝槽的容屑排屑能力最好。

圖9 不同對摩角度下溝槽表面磨損后形貌

圖10表示為鈦合金光滑表面和溝槽表面磨損后的元素分布情況。從圖10（a）可以看出：Ti元素的百分含量為68.3%、O元素百分含量為15.2%、Fe元素百分含量為0.5%，與磨損前的表面（圖3（a））相比較，其O元素和Fe元素分別增加了15.2%、0.5%。從圖10（b）可以看出：Ti元素的百分含量為65.6%，O元素百分含量為18.2%，F(xiàn)e元素百分含量為5.4%，與磨損前的表面（圖3（b））相比較，其O元素和Fe元素分別增加了1.7%、5.4%，原因?yàn)樵谀Σ翆?shí)驗(yàn)的過程中，鈦合金裸露在空氣中并由于氧化效應(yīng)生了某些鈦的氧化物，而Fe元素增加的原因是201不銹鋼小球在逐漸磨損的過程中Fe元素逐漸進(jìn)入到了鈦合金表面。

圖10 光滑和500μm間距溝槽表面磨損后元素分布

2.4 磨損試驗(yàn)后表面三維形貌分析

如圖11所示為在摩擦力增大到3 N且摩擦?xí)r間為30 min的情況下，鈦合金光滑表面和溝槽表面磨損后放大200倍的三維形貌。從圖11（a）和圖11（b）可以得出：磨痕深度分別為H1=9.49 μm、H2=5.22 μm，即：溝槽表面的磨痕深度明顯要低于光滑表面磨痕深度，因此可知溝槽起到了明顯的抗磨作用。

圖11 光滑表面與溝槽表面磨損后的三維形貌

3 結(jié)論

（1）在低速低載荷干摩擦的情況下，溝槽間距為500 μm相比于間距為100 μm、200 μm、300 μm、400 μm的鈦合金表面的摩擦系數(shù)較小。而溝槽間距為 100 μm、500 μm 時(shí)，對摩角度為 60°相比于對摩角度為 0°、30°、60°、90°時(shí)鈦合金表面的摩擦系數(shù)較小。且溝槽間距為500 μm時(shí)，對摩角度為90°的鈦合金表面抗磨性最好。

（2）將間距為 300 μm、400 μm、500 μm 的鈦合金溝槽表面與光滑表面磨痕形貌進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)具有溝槽的鈦合金表面表現(xiàn)出良好的抗磨性。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)間距為500 μm的鈦合金溝槽表面的抗磨性相對于其他情況具有最好的效果。通過能譜分析得出，磨損前激光加工后溝槽表面O元素含量與未織構(gòu)的鈦合金表面相比較明顯增多。磨損后無論是溝槽表面，還是未織構(gòu)的表面的O元素和Fe元素含量都增加。

（3）通過將磨損后鈦合金溝槽表面與未織構(gòu)化的表面三維形貌對比，得出鈦合金溝槽表面的磨痕深度在一定程度上小于未織構(gòu)化的表面的磨痕深度，所以具有溝槽鈦合金表面抗磨性更好。