于 越，劉紅斌

（1.德陽廣大東汽新材料有限公司,四川 德陽 618000；2.東方汽輪機有限公司,四川 德陽 618000）

與傳統(tǒng)葉片材料12%Cr 鋼相比，鈦合金因具有重量輕、比強度高、耐蝕性好等優(yōu)良特性，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、機械、化工以及能源等領(lǐng)域[1]。但是鈦合金材料因其表面硬度低、耐磨性差等因素，使用于葉片的鈦合金接觸面工作部位發(fā)生微動磨損，導(dǎo)致葉片間間隙增大，葉片長時高速運轉(zhuǎn)時使磨損加劇，嚴重者將導(dǎo)致葉片斷裂等重大安全事故的發(fā)生，迫切需要提高鈦合金材料表面防微動磨損性能。提升鈦合金材料表面微動耐磨性能常用的防護方法有離子鍍TiN、滲氮、熱噴涂技術(shù)等。離子鍍技術(shù)制備涂層效率和昂貴的設(shè)備費用增加了投入成本，限制了其應(yīng)用范圍。氣體滲氮技術(shù)因較高的工藝溫度會導(dǎo)致滲層氧化，組織疏松[2]。熱噴涂技術(shù)中的超音速火焰噴涂工藝因沉積效率高、不受零件材料限制、對基體無熱影響等優(yōu)勢，可在零件表面制備致密度高、結(jié)合強度高的高耐磨性金屬陶瓷涂層[3]，已得到廣泛應(yīng)用。超音速火焰噴涂工藝是利用丙烷等碳氫系燃氣與高壓氧氣或空氣在特殊的燃燒室、噴嘴中燃燒產(chǎn)生高溫、高速焰流，將噴涂粉末粒子加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并沉積在工件表面以獲得結(jié)合強度高、結(jié)構(gòu)致密的涂層，已廣泛在航空航天、能源等工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用。超音速火焰前處理及噴涂耐磨涂層在鈦合金微動疲勞研究方面的報道較多[4]，在鈦合金防微動磨損方面的應(yīng)用鮮見報道。本文采用超音速火焰噴涂工藝在TC4 材料表面制備碳化鉻系防微動磨損涂層，研究了TC4 鈦合金防護涂層的微動磨損性能，分析了磨損機制，為核電汽輪機葉片可靠性設(shè)計和服役防護提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗過程

本試驗采用超音速火焰噴涂工藝在TC4 鈦合金基體材料摩擦部位（主摩擦副試樣規(guī)格：10 mm×10 mm×20 mm）表面制備碳化鉻系耐磨涂層。噴涂粉末的成分及特性見表1，制備涂層的摩擦部位見表2。噴涂前對基體進行除油處理，然后進行噴砂活化處理。采用進口超音速火焰噴涂系統(tǒng)制備涂層，對磨副基體材料采用TC4。采用自制微動磨損試驗機進行不同對磨副條件下的微動磨損試驗，試驗參數(shù)條件見表2。采用自制微動磨損試驗機測試摩擦因數(shù)，超景深三維輪廓儀測試磨損量，并對比不同對磨副的微動磨損性能差異。采用SEM、EDS、XRD 方法觀察微動磨損表面形貌，分析磨損表面成分及物相組成。

表1 噴涂粉末成分及特性

表2 微動磨損試驗參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

圖1 為不同對磨副分別在30、60、90 μm 位移副值下循環(huán)105次的摩擦因數(shù)曲線。從圖1 可以看出，3 類對磨副的磨損過程中的摩擦因數(shù)均經(jīng)過了起始–上升–穩(wěn)定 3 個階段，且在穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)均隨位移幅值的增加而增加。在位移副值分別為30、60、90 μm 時，TC4 鈦合金和涂層1 作為對磨副時的摩擦因數(shù)分別穩(wěn)定于0.24、0.4、0.62，TC4 鈦合金和涂層2 作為對磨副時的摩擦因數(shù)分別穩(wěn)定于0.16、0.41、0.62，兩種涂層作為對磨副時的摩擦因數(shù)穩(wěn)定于0.16、0.31、0.42。在位移幅值分別為60 μm 和90 μm 時，對磨副為雙面涂層的摩擦因數(shù)是對磨副為單面涂層（涂層2）摩擦因數(shù)的75%和67%。

圖1 不同對磨副的摩擦因數(shù)

2.2 磨損量

圖2、圖3 是不同對磨副分別在30、60、90 μm位移副值下循環(huán)105次的磨損面積和磨損體積對比柱狀圖。從圖2、3 可以看出：隨著磨痕面積增大，磨痕體積增加的變化趨勢相同；隨位移副值的增加，磨損面積和磨損體積均增大；3 種不同對磨副磨損面積和磨損體積的量均為涂層1/涂層2＜TC4/涂層2＜TC4/涂層1。結(jié)合測試的摩擦因數(shù)值差異，摩擦因數(shù)越低的對磨副磨損量越低，耐磨性能越好。在TC4 基體材料增加涂層1，較單面涂層（涂層2）對磨副在不同位移副值條件下可以降低磨損量2.5%～51.5%。TC4/涂層1 和TC4/涂層2 對磨副磨損量相差5～10 倍。對比涂層1 和涂層2 的成分差異，涂層1 較涂層2 減少了10%的Cr3C2硬質(zhì)相，提高了表面硬度[5]，涂層2 可顯著降低該對磨副的磨損量，提升了微動耐磨性能。

圖2 不同對磨副的磨損面積

圖3 不同對磨副的磨損體積

2.3 磨損表面形貌及EDS 成分分析

2.3.1 磨損表面形貌

圖4—6 為不同對磨副分別在30、60、90 μm位移副值下循環(huán)105次的磨損表面形貌。從圖4可以看出：對磨副為涂層1/涂層2，當位移幅值為30 μm 時，磨痕表面較為平整；隨著位移幅值增加至60 μm 和90 μm 時，磨痕區(qū)域可見少量材料剝落，呈現(xiàn)出深色剝落坑，同時有材料塑性變形與磨屑的堆積，此時磨損機制主要為磨粒磨損和分層剝落，在90 μm 時深色剝落坑面積增加，且磨屑堆積層增多，此時磨損機制主要為磨粒磨損和分層剝落。從圖5 可以看出，對磨副為TC4/涂層1 時，磨痕區(qū)域可見少許犁溝與磨屑堆積，磨損機制主要為磨粒磨損。從圖6 可以看出，對磨副為TC4/涂層2 時，磨痕區(qū)域出現(xiàn)材料塑性變形與磨屑的堆積，磨損機制主要為黏著磨損，填補了磨削溝槽，使磨損面積和體積較對磨副為TC4/涂層1 顯著降低。

圖4 涂層1/涂層2 對磨副磨損表面形貌（1 500×）

圖5 TC4/涂層1 對磨副磨損表面形貌（1 500×）

圖6 TC4/涂層2 對磨副磨損表面形貌（1500 ×）

2.3.2 微區(qū)成分分析

表3 是不同對磨副分別在30、60、90 μm 位移副值下循環(huán)105次的磨損表面微區(qū)EDS 成分對比。從表3 可以看出：對磨副為涂層1/涂層2 時，隨著位移幅值的增大，氧含量略有上升；對磨副為TC4/涂層1 時，隨著位移幅值的增大，氧含量明顯增加；對磨副為TC4/涂層2 時，隨著位移幅值的增大，氧含量略有上升。結(jié)合磨損表面形貌觀察發(fā)現(xiàn)：對磨副為涂層1/涂層2 時，在磨痕邊緣有較為明顯的塑變及材料堆疊，不同位移幅值下主要磨損方式為磨粒磨損和輕微氧化磨損[6]；對磨副為TC4/涂層1 時，不同位移副值在氧化磨損作用下，涂層氧化后消耗了NiCr–Cr3C2兩相結(jié)構(gòu)中的NiCr 相，Cr3C2硬質(zhì)相與基體附著力減弱，使涂層產(chǎn)生溝犁剝落，主要磨損方式為磨粒磨損和氧化磨損；對磨副為涂層1/涂層2 時，其中90 μm 位移副值條件下有較為明顯的塑性變形及材料黏著，磨損方式主要為黏著磨損[7?8]和輕微氧化磨損[9]，且隨著位移幅值增大，在磨損過程中，磨屑逐漸增多，磨痕區(qū)域氧化程度上升。

表3 成分對比

2.4 XRD 分析

圖7 是不同對磨副分別在30、60、90 μm 位移副值下循環(huán)105次的磨損區(qū)域表面XRD 衍射圖譜。從圖7 可以看出，3 種對磨副試驗條件下，物相主要由Cr3C2、Cr7C3、NiCr、Cr、C 組成，且隨位移副值的增加，磨損區(qū)域表面并未發(fā)生相變，無新增物相產(chǎn)生。結(jié)合上述EDS 元素含量分析，雖然隨著位移幅值增大，氧含量有不同程度的上升，但在XRD 中并未觀察到氧化相，說明僅在對磨副表面產(chǎn)生了極少量的氧化物，未見Ti、Al 元素轉(zhuǎn)移。

圖7 不同對磨副磨損后表面XRD 圖譜

2.5 磨損與防護機制分析

對3 種對磨副的摩擦因數(shù)、磨損量等微動磨損性能進行綜合對比分析，起始階段的接觸區(qū)域表面在磨屑切削作用下，表面粗糙度增加，導(dǎo)致摩擦因數(shù)短暫波動后，隨時間的推移進入穩(wěn)態(tài)階段。該階段主要是上試樣–磨屑的生成與排出–下試樣三體之間（簡稱：三體磨削過程）保持一個動態(tài)平衡。不同的摩擦配副，磨損主導(dǎo)機理不同，在法向載荷與切向載荷聯(lián)合循環(huán)作用下加劇了材料磨損。對于單面涂層摩擦副，主要磨損機制為磨粒磨損、輕微氧化磨損、黏著磨損。磨損過程中產(chǎn)生的局部高溫，使活潑的Ni、Cr 元素與O 元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氧化磨損。隨著磨損進程加劇，黏結(jié)相逐漸消耗，Cr3C2硬質(zhì)相與粘結(jié)相逐漸分離，形成的中間體夾在對磨副之間，于是產(chǎn)生了磨粒磨損。如此周而復(fù)始地保持氧化磨損、磨粒磨損的復(fù)合磨損，涂層逐漸失效延緩了TC4 磨損過程，對TC4 基體產(chǎn)生保護作用。同時，由于涂層1 的硬質(zhì)相含量較小，涂層摩擦因數(shù)和顯微硬度較低，涂層1 的耐磨性能較低，導(dǎo)致對磨副為TC4/涂層2 的磨損面積和體積較對磨副為TC4/涂層1 顯著降低。雙面涂層在TC4 基體對磨副表面制備了硬質(zhì)耐磨涂層，摩擦因數(shù)和磨損率進一步降低，耐磨性能得到加強，雙面涂層表現(xiàn)出的磨損機制為磨粒磨損和輕微氧化磨損，雙面涂層摩擦副形式可以有效提升TC4 材料的表面耐微動磨損性能。

3 結(jié)論

1）不同摩擦副及位移副值條件下的摩擦因數(shù)均在起始階段迅速增加，隨后摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定。

2）在位移幅值分別為60 μm 和90 μm 時，對磨副為雙面涂層的摩擦因數(shù)是對磨副為單面涂層（涂層2）摩擦因數(shù)的75%和67%。

3）不同對磨副條件下，TC4 鈦合金微動磨損機制是以黏著磨損、磨粒磨損、氧化磨損為主的復(fù)合磨損，磨損過程中無TC4 材料轉(zhuǎn)移。

4）TC4 鈦合金表面增加防護涂層可以有效提升其表面耐微動磨損性能。

5）如果實際使用工況的對磨副均為TC4 材料，建議雙面對磨副均制備涂層加以防護。