馬 震,曹文輝,樊恒中,胡天昌*,張建曉,胡麗天

(1.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心,北京 100049;3.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司,甘肅 蘭州 730314)

作為一種輕金屬材料，鈦及其鈦合金因其具有較高的比強(qiáng)度和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器、醫(yī)療器械、海洋船舶與生活用品等方面[1-3]，其戰(zhàn)略地位僅次于鐵和鋁.鈦及其鈦合金雖然具有諸多的性能優(yōu)勢(shì)，但自身也存在一定缺陷，如表面硬度低、耐磨性差、導(dǎo)熱性差以及高摩擦系數(shù)容易導(dǎo)致粘連等，這些缺陷極大地限制了鈦合金在摩擦領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用[4-5].目前，提高鈦合金表面硬度與耐磨損性能的方法主要集中在表面改性方面，而針對(duì)鈦合金表面改性的主要方法有表面強(qiáng)化技術(shù)(噴丸和沖擊強(qiáng)化等)[6]、離子注入技術(shù)(離子滲氮、滲碳等)[7-9]、涂層技術(shù)(等離子噴涂、熱噴涂、氣相沉積涂層及激光熔覆等)[10-13]、微弧氧化[14-15](形成致密氧化膜)等.隨著航空航天裝備的發(fā)展，尤其是鈦合金在航空裝備部件中的應(yīng)用越來越多，同時(shí)也產(chǎn)生了相應(yīng)的磨損問題，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中鈦合金軸承座與軸承材料之間接觸產(chǎn)生的磨損[16]，飛機(jī)襟縫翼用鈦合金滑軌與滾輪之間產(chǎn)生的滑動(dòng)磨損[17]等.這些磨損問題極大地影響了航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其結(jié)構(gòu)件的可靠運(yùn)行.這就對(duì)鈦合金表面的摩擦學(xué)性能提出了更高的要求，需要此類鈦合金運(yùn)動(dòng)部件具有更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、良好的耐磨性能與較高的服役壽命.但單一的表面改性技術(shù)很難達(dá)到理想的減摩抗磨效果，而表面織構(gòu)為鈦合金表面摩擦性能的改善提供了新的途徑.

表面織構(gòu)是指通過一定的技術(shù)在摩擦副表面制備一定規(guī)則排列的圖案化結(jié)構(gòu)，諸多的研究表明，這一結(jié)構(gòu)可有效改善摩擦副在不同條件下的摩擦學(xué)性能[18-21].其中，激光微加工由于高效、簡(jiǎn)便及無污染等優(yōu)勢(shì)成為目前表面織構(gòu)最常用的手段.王明政等[22]在TC4鈦合金表面制備了不同形狀、間距和直徑的微織構(gòu)，考察了織構(gòu)參數(shù)對(duì)鈦合金在油潤(rùn)滑條件下的摩擦性能的影響，結(jié)果表明：織構(gòu)面的磨損率要明顯低于未織構(gòu)面，這主要是因?yàn)楸砻婵棙?gòu)具有收集磨屑與儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的作用，并且在該研究中提出了最佳的織構(gòu)形貌及織構(gòu)參數(shù).然而，在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)及航空結(jié)構(gòu)件所應(yīng)用的高載和干摩擦等苛刻條件下，單一的表面織構(gòu)并不能有效延長(zhǎng)材料的磨損壽命[23].這就需要對(duì)材料表面進(jìn)行進(jìn)一步處理以增強(qiáng)其耐磨損性能.

鈦合金表面熱氧化技術(shù)可在表面生成1層致密的氧化膜并大幅度提高材料表面硬度[24].Wang等[25]研究了TC4鈦合金在600～800 ℃溫度下的熱氧化機(jī)制及其摩擦磨損行為，研究表明：隨熱氧化溫度的增加，熱氧化膜的表面粗糙度及厚度均隨之增大.摩擦系數(shù)與磨損量較未處理面分別可降低62%和80%，并且提出了較為適宜的熱氧化溫度.此外，通過將鈦合金表面織構(gòu)與其熱氧化層相結(jié)合，可進(jìn)一步增強(qiáng)織構(gòu)化鈦合金表面的抗磨損性能.Sun等[26]研究了經(jīng)過熱氧化處理后的織構(gòu)化鈦合金表面的摩擦學(xué)性能.結(jié)果表明：當(dāng)鈦合金在650 ℃，熱氧化25 h條件下具有最優(yōu)的摩擦學(xué)性能，其原因是織構(gòu)化表面增大了與空氣中氧氣的接觸面積，并形成具有高硬度和承載能力的氧化鈦層，與未織構(gòu)化表面相比，織構(gòu)化表面允許形成更多的摩擦氧化物，使得熱氧化膜與表面織構(gòu)結(jié)合顯著提高了TC4合金的耐磨性.另一方面，表面織構(gòu)之所以能有效降低摩擦副的摩擦磨損，主要原因是表面織構(gòu)可以作為固/液潤(rùn)滑介質(zhì)的儲(chǔ)存器，在摩擦過程中對(duì)潤(rùn)滑劑起到補(bǔ)償作用[27].Rapoport等[28]在織構(gòu)化的鋼表面制備了摻雜CdZnSe的MoS2薄膜并進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，結(jié)果表明：表面織構(gòu)經(jīng)過適當(dāng)?shù)膾伖饪稍黾涌棙?gòu)面中固體潤(rùn)滑劑的含量，從而有效延長(zhǎng)表面的磨損壽命，同時(shí)40%的織構(gòu)面密度顯示了最佳的減摩抗磨性能.因此，如果將固體潤(rùn)滑劑引入到所制備的鈦合金氧化膜的織構(gòu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)，則有望形成一種自潤(rùn)滑復(fù)合耐磨結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)織構(gòu)化鈦合金的減摩抗磨效應(yīng)，并有效延長(zhǎng)鈦合金的磨損壽命.

基于以上研究背景，本研究擬將熱氧化技術(shù)、表面織構(gòu)技術(shù)和固體潤(rùn)滑薄膜相結(jié)合的方式，采用適宜的熱氧化參數(shù)制備致密且具有較高硬度的氧化膜作為抗磨層，采用不同的織構(gòu)參數(shù)以沉積具有低剪切力、附著力強(qiáng)的固體潤(rùn)滑劑形成一種復(fù)合潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，分析三種結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)，并提出在不同織構(gòu)參數(shù)下復(fù)合結(jié)構(gòu)的磨損機(jī)理.

1 試驗(yàn)部分

本試驗(yàn)所用材料為TC4鈦合金，其成分列于表1中.樣品被加工成直徑24 mm，高度7.9 mm的試塊，其表面經(jīng)過1 000～2 000目的SiC砂紙逐級(jí)研磨，然后使用粒度為0.5 W的金剛石研磨膏在拋光布上研磨，隨后置于丙酮溶液中超聲清洗15 min，最終樣品表面粗糙度(Ra)為0.03～0.05 μm.使用QS型紫外激光微加工設(shè)備對(duì)處理好的樣品進(jìn)行表面織構(gòu)的制備，設(shè)定加工參數(shù)包括：激光功率為6.8 W，脈沖頻率為50 kHz，加工次數(shù)為6次，分別制備了織構(gòu)間距為420、265和210 μm，直徑為150 μm的線型織構(gòu)與圓形織構(gòu)(表2).加工完成后使用金相砂紙打磨去掉表面的熔融物，之后再進(jìn)行拋光和超聲清洗.

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy (mass fraction)

表2 鈦合金表面圓形與線型織構(gòu)參數(shù)Table 2 Circular and linear texture parameters of titanium alloy surface

然后將織構(gòu)化試樣與未織構(gòu)試樣進(jìn)行表面熱氧化膜的制備.根據(jù)文獻(xiàn)[26]所述方式，熱氧化過程在空氣介質(zhì)的管式爐中(OTF-1200X)進(jìn)行，織構(gòu)樣與未織構(gòu)樣熱氧化參數(shù)設(shè)定為溫度650 ℃，保溫時(shí)間25 h，升溫速率為5 ℃/min，保溫過后隨爐冷卻，得到熱氧化樣品，相應(yīng)試樣標(biāo)注為TOC1-3以及TOL1-3.

隨后將PTFE乳液(美國(guó)杜邦公司,DISP33型)噴涂至以上所制備的織構(gòu)面與未織構(gòu)化表面，使得PTFE均勻的填充至織構(gòu)中.隨后在干燥箱內(nèi)50 ℃溫度下保溫6 h使其充分固化.

樣品的摩擦試驗(yàn)在GF-1200型往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.考慮實(shí)際工況中，鈦合金部件的摩擦副對(duì)偶一般采用自配副的形式，因此，試驗(yàn)中采用了TC4球作為上試樣，直徑為6 mm，硬度為340±15 HV200g，同樣對(duì)鈦合金球進(jìn)行了熱氧化處理以作試驗(yàn)對(duì)比(熱氧化參數(shù)同上)，下試樣為織構(gòu)化與未織構(gòu)化樣品.試驗(yàn)載荷為15 N，頻率為5 Hz，往復(fù)長(zhǎng)度為5 mm，在試驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)被自動(dòng)收集記錄.采用VHX-6000型號(hào)三維輪廓儀測(cè)量表面磨損體積，磨損體積按照公式V=AL計(jì)算，其中V為磨損體積(單位mm3)，A為磨痕的橫截面積(mm2)，L為摩擦往復(fù)長(zhǎng)度(mm).試驗(yàn)溫度為20±2 ℃，相對(duì)濕度為(40±5)%，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)3次以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

使用帶有能量色散譜(EDS)分析功能的JSM-5600LV掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)樣品的微觀形貌與表面化學(xué)組成進(jìn)行表征，樣品表面的硬度通過顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量，使用EMPYREAN型X射線衍射儀(XRD)對(duì)熱處理后的材料表面進(jìn)行物相分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 織構(gòu)面與未織構(gòu)面的形貌與性能表征

圖1所示為制備的鈦合金表面織構(gòu)化形貌，從圖中可以看出，鈦合金表面激光織構(gòu)化微結(jié)構(gòu)規(guī)則且清晰，織構(gòu)的寬度及孔徑均保持在150±5 μm，織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的深度在25±5 μm之間，圓形織構(gòu)密度按照公式ε=πD2/(4L2)，(ε為織構(gòu)密度，D為孔直徑，L為孔中心間距)來計(jì)算.使用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)織構(gòu)與未織構(gòu)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于所有的試樣硬度全都保持在350±15 HV200g，這表明激光表面織構(gòu)對(duì)材料表面硬度的影響可以忽略不計(jì).

Fig.1 SEM micrographs of surface morphologies of titanium alloy with different textures:(a～c)circular texture; (d～f)linear texture圖1 鈦合金表面不同織構(gòu)化形貌的SEM照片：(a～c)圓形織構(gòu)；(d～f)線型織構(gòu)

經(jīng)過熱氧化處理的試樣表面形貌的SEM照片如圖2(a)所示，經(jīng)過熱氧化處理后樣品表面生成了1層致密的氧化膜，氧化膜厚度約為4.5 μm，膜表面帶有約1.49 μm大小的顆粒使得表面變得較為粗糙.表面顯微硬度為700±15 HV200g，與未氧化試樣相比提高了2倍，表明熱氧化可以顯著提高鈦合金表面的顯微硬度.圖2(b)所示為經(jīng)過650 ℃，25 h熱氧化后的鈦合金表面XRD曲線，可以看出經(jīng)過熱氧化后的表面生成了金紅石相的TiO2，而未熱氧化表面主要為Ti元素以及少量Ti的化合物.

Fig.2 (a)SEM micrographs of surface morphology and (b)XRD pattern of titanium alloy treated at 650 ℃/25 h圖2 650 ℃/25 h處理的鈦合金表面形貌的(a)SEM照片與(b)XRD圖

圖3所示為經(jīng)PTFE溶膠噴涂填充并固化之后的織構(gòu)化表面形貌的SEM照片，可以看出，通過此方式可以將PTFE潤(rùn)滑劑有效填充至所形成的微結(jié)構(gòu)內(nèi)，同時(shí)在表面形成了均勻而致密的潤(rùn)滑薄膜，薄膜厚度約為15 μm.

Fig.3 SEM micrographs of morphology of (a～b)surface texture after PTFE filling and (c)section diagram of composite structure圖3 (a～b)經(jīng)過PTFE填充之后的表面織構(gòu)形貌圖與(c)復(fù)合結(jié)構(gòu)的截面圖

圖4所示為PTFE薄膜在鈦合金未織構(gòu)化表面與織構(gòu)化表面的結(jié)合力，從圖中可以看出，織構(gòu)化表面的結(jié)合力較未織構(gòu)化表面提高了3倍左右，這主要是由于表面微織構(gòu)增大了薄膜與基體的接觸面積，同時(shí)利用“機(jī)械互鎖”作用，從而大大提升薄膜在鈦合金表面的結(jié)合力，有效防止了摩擦過程中薄膜的失效脫落[29].

Fig.4 The adhesion force of titanium alloy with PTFE film: (a)untextured surface and (b)textured surface圖4 鈦合金表面PTFE薄膜的結(jié)合力：(a)未織構(gòu)；(b)織構(gòu)化

2.2 表面織構(gòu)形貌及密度對(duì)鈦合金表面潤(rùn)滑薄膜摩擦磨損性能的影響

將以上所制備的織構(gòu)化表面潤(rùn)滑薄膜進(jìn)行摩擦磨損性能考察，同時(shí)與未織構(gòu)表面潤(rùn)滑薄膜進(jìn)行比較.圖5所示為不同樣品表面的摩擦系數(shù)與磨損體積的變化曲線，從圖中可以看出，鈦合金未織構(gòu)表面所制備的潤(rùn)滑薄膜在經(jīng)歷了短期的平穩(wěn)運(yùn)行后摩擦系數(shù)即開始逐漸增大并呈現(xiàn)出較大波動(dòng)，表明PTFE潤(rùn)滑薄膜在此過程中逐漸磨損直至完全失效，而織構(gòu)化試樣表面的固體潤(rùn)滑薄膜顯示了低而平穩(wěn)的摩擦系數(shù).對(duì)于圓形織構(gòu)化表面來說，較低的織構(gòu)密度條件下，其摩擦系數(shù)在運(yùn)行33 min后開始急劇增加但波動(dòng)相對(duì)較小，表明承載面的潤(rùn)滑薄膜已部分失效，導(dǎo)致摩擦副直接接觸使得摩擦系數(shù)隨之增大.隨著織構(gòu)密度逐漸增加至25%時(shí)，摩擦系數(shù)均相對(duì)平穩(wěn)，在織構(gòu)密度為40%時(shí)表面具有最低的摩擦系數(shù)，類似地，對(duì)于線型織構(gòu)化表面來說，隨著織構(gòu)密度的增加，其摩擦系數(shù)也隨之降低.另一方面，對(duì)比涂覆潤(rùn)滑薄膜的兩種表面，織構(gòu)化表面的磨損量要明顯低于未織構(gòu)面，同時(shí)對(duì)比不同的織構(gòu)化表面，隨著織構(gòu)密度的增加，其表面潤(rùn)滑薄膜的磨損量均隨之降低，相比未織構(gòu)面，線型織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)與磨損量可分別降低69.3%與99.3%.主要原因是隨著織構(gòu)面積占有率的增加，凹坑及溝槽與摩擦對(duì)偶接觸的面積顯著增大，使更多微結(jié)構(gòu)內(nèi)的PTFE潤(rùn)滑劑被拖覆到滑動(dòng)表面，從而形成了潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，表現(xiàn)出低而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)以及極低的磨損量.

Fig.5 Variation curves of friction coefficient,average friction coefficient and wear volume of untextured surface and textured surfaces: (a～c)circular textured surfaces and (d～f)linear textured surfaces圖5 未織構(gòu)面與織構(gòu)面的摩擦系數(shù)變化曲線、平均摩擦系數(shù)以及磨損體積圖：(a～c)圓形織構(gòu)化表面以及(d～f)線型織構(gòu)化表面

比較兩種類型的織構(gòu)化表面，可以看出，線型織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)均小于圓形的織構(gòu)化表面.在相同的織構(gòu)寬度與織構(gòu)間距條件下，線型織構(gòu)表面具有最低的摩擦系數(shù)0.11，與圓形織構(gòu)的0.14相比顯示了更優(yōu)的減摩效應(yīng).同時(shí)，對(duì)比兩種織構(gòu)化表面的抗磨損能力，線型織構(gòu)具有更低的磨損量并且高織構(gòu)密度顯示了更佳的耐磨性能，主要原因在于：對(duì)于兩種織構(gòu)來說，在點(diǎn)接觸形式下，摩擦對(duì)偶球與線型織構(gòu)接觸的接觸面積明顯要多于圓形織構(gòu)，這更有利于潤(rùn)滑薄膜的補(bǔ)充與維持.此外，在相同的織構(gòu)間距條件下，線型結(jié)構(gòu)由于具有最高的織構(gòu)密度以及對(duì)固體潤(rùn)滑劑更多的儲(chǔ)存量，使得單位行程內(nèi)接觸面間轉(zhuǎn)移出更多的潤(rùn)滑劑，從而表現(xiàn)出更好的潤(rùn)滑性能.

2.3 織構(gòu)面熱氧化膜對(duì)復(fù)合耐磨結(jié)構(gòu)摩擦磨損性能的影響

在以上試驗(yàn)基礎(chǔ)上，考察了織構(gòu)化熱氧化表面在涂覆PTFE固體潤(rùn)滑薄膜后的摩擦學(xué)性能.圖6所示為熱氧化后的圓形及線型織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)與磨損量變化曲線，從圖中可以看出鈦合金表面經(jīng)過熱氧化后由于表面粗糙度的增加，摩擦系數(shù)稍有增大，但其抗磨損能力顯著提高，尤其對(duì)于未織構(gòu)面與低織構(gòu)密度面.另一方面，相較圖5中的未熱氧化的織構(gòu)面，織構(gòu)化表面經(jīng)熱氧化后顯著提升了表面潤(rùn)滑薄膜的耐磨性能，磨損量得到進(jìn)一步降低.同時(shí)線型的高織構(gòu)密度表面顯示了更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)與更低的磨損量.摩擦系數(shù)低至0.12，磨損率較織構(gòu)化未熱氧化面可降低46.1%.這一結(jié)果表明織構(gòu)面除了對(duì)接觸面的潤(rùn)滑劑可進(jìn)行有效的補(bǔ)充之外，其表面高硬度氧化膜的引入能夠有效的限制材料發(fā)生塑性變形、減小材料在滑動(dòng)過程中的黏著磨損[30]，形成了一種具有自潤(rùn)滑作用的復(fù)合耐磨結(jié)構(gòu).

Fig.6 Variation curves of friction coefficient,average friction coefficient and wear volume of the thermal oxidation surface and thermal oxidized textured surfaces：(a～c)circular thermal oxidized textured surfaces and (d～f)the linear thermal oxidized textured surfaces圖6 熱氧化織構(gòu)面與氧化未織構(gòu)面的摩擦系數(shù)變化曲線、平均摩擦系數(shù)以及磨損體積圖：(a～c)圓形織構(gòu)熱氧化面以及(d～f)線型織構(gòu)熱氧化面

2.4 磨損機(jī)制分析

圖7和圖8所示為含有固體潤(rùn)滑薄膜的未織構(gòu)面與兩種類型織構(gòu)化表面磨斑形貌的SEM照片以及磨斑表面元素分布.從圖7可以看出，未織構(gòu)面與10%的圓形低織構(gòu)密度表面顯示了明顯的犁溝與黏著磨損，表面的潤(rùn)滑膜已被完全磨損且圓形結(jié)構(gòu)也已被磨穿.而高織構(gòu)密度表面則顯示了輕微的磨損，磨斑表面光滑且微織構(gòu)保持完整.同時(shí)，對(duì)比兩種織構(gòu)化表面，線型織構(gòu)化表面在不同密度條件下均顯示了較輕微的磨損.從圖8(a’)的元素分布看出，未織構(gòu)化表面磨損區(qū)域內(nèi)幾乎看不到F元素的存在，說明表面潤(rùn)滑薄膜已完全失效并產(chǎn)生了摩擦對(duì)偶基體間的接觸.如圖8(b)所示，對(duì)織構(gòu)化表面來說，微結(jié)構(gòu)內(nèi)填充的固體潤(rùn)滑劑明顯在摩擦過程中反復(fù)被摩擦對(duì)偶提取至微坑邊緣從而保持了潤(rùn)滑膜的存在，從微坑間磨痕處的F元素的一定量分布也得以證實(shí)[圖8(b’)].這說明表面織構(gòu)的存在起到了儲(chǔ)存及補(bǔ)償潤(rùn)滑劑的作用，同時(shí)結(jié)合表面織構(gòu)對(duì)薄膜結(jié)合力的增強(qiáng)作用，從而有效降低了材料的摩擦磨損.另一方面，對(duì)比不同的織構(gòu)參數(shù)表面，其織構(gòu)密度對(duì)材料的減摩抗磨性能有顯著影響，在相同的織構(gòu)間距條件下，線型結(jié)構(gòu)由于具有最高的織構(gòu)密度以及對(duì)固體潤(rùn)滑劑更多的儲(chǔ)存量，使得單位行程內(nèi)接觸面間轉(zhuǎn)移出更多的潤(rùn)滑劑，從而表現(xiàn)出良好的潤(rùn)滑性能.

Fig.7 SEM micrographs of morphology of wear tracks of (a)the untextured surface and texture surfaces: (b)C1,(c)C2,(d)C3,(e)L1,(f)L2,(g)L3圖7 (a)未織構(gòu)面與織構(gòu)面(b)C1、(c)C2、(d)C3、(e)L1、(f)L2、(g)L3磨損形貌的SEM照片

Fig.8 SEM micrographs of morphology of worn surface of (a)the untextured surface and (b)texture surface,and (a′,b′)corresponding EDS spectras圖8 (a)未織構(gòu)面與(b)織構(gòu)化表面的磨損形貌的SEM照片及(a′,b′)EDS譜圖

圖9所示為不同的熱氧化表面潤(rùn)滑薄膜的磨損形貌，從圖中可以看出，鈦合金表面經(jīng)過熱氧化后，所有的織構(gòu)化表面均表現(xiàn)出了輕微的磨損，尤其是高織構(gòu)密度表面，磨斑表面光滑且織構(gòu)形貌清晰可見，同時(shí)磨損量較未熱氧化織構(gòu)面得到進(jìn)一步降低[圖9(b)].而未織構(gòu)面由于氧化膜的存在磨損量較未處理面也有顯著減小，磨痕表面產(chǎn)生了一定的磨屑且氧化膜有明顯磨損[圖9(a)]，但并未產(chǎn)生鈦合金基底表現(xiàn)出的黏著與塑性變形，說明高硬度氧化膜的存在起到了提高表面承載及耐磨損性能的作用.

Fig.9 SEM micrographs of morphology of worn surfaces for (a)the thermal oxidation surface and thermal oxidized textured surfaces: (b)TOC1,(c)TOC2,(d)TOC3,(e)TOL1,(f)TOL2,(g)TOL3圖9 (a)熱氧化表面以及織構(gòu)化熱氧化表面(b)TOC1、(c)TOC2、(d)TOC3、(e)TOL1 、(f)TOL2 、(g)TOL3的磨損形貌的SEM照片

圖10(a)所示為熱氧化未織構(gòu)表面磨斑形貌的SEM照片及元素分布圖，結(jié)果表明磨斑表面存在少量的O元素而不存在F元素，這表明在摩擦過程中表面的PTFE潤(rùn)滑薄膜已被完全磨穿導(dǎo)致摩擦對(duì)偶間基底的接觸，同時(shí)較薄的氧化膜也產(chǎn)生了明顯的磨損.而對(duì)熱氧化織構(gòu)表面來說[圖10(b)]，磨痕處顯示有一定量的F元素的存在，這說明接觸面仍然保持有潤(rùn)滑薄膜，同時(shí)磨斑表面含有一定量的O元素且未見氧化膜的脫落，表明熱氧化膜具有較好的抗黏著磨損及抗塑性變形性能.因此，將表面熱氧化薄膜與固體潤(rùn)滑薄膜的結(jié)合可進(jìn)一步改善單一的織構(gòu)化表面潤(rùn)滑薄膜抗磨損性能的不足，從而實(shí)現(xiàn)表面織構(gòu)、熱氧化層與固體潤(rùn)滑劑三者的協(xié)同減摩抗磨的作用.

Fig.10 SEM micrographs of morphology of worn surfaces for (a)the thermal oxidation surface and (b)thermal oxidized textured surface TOC2,and (a′,b′)corresponding EDS spectras圖10 (a)熱氧化面與 (b)熱氧化織構(gòu)表面TOC2的磨損形貌及(a′,b′)相應(yīng)的EDS譜圖

對(duì)摩擦對(duì)偶鈦合金球的磨損表面也進(jìn)行了相應(yīng)的分析，從圖11(a)中可以看出，與未織構(gòu)面相配副時(shí)，鈦合金球表面顯示了明顯的磨損，磨斑處有大量犁溝的產(chǎn)生，主要表現(xiàn)為黏著磨損.從元素分布來看，磨損面未發(fā)現(xiàn)F元素的存在而有一定的氧化物分布，說明摩擦對(duì)偶球與鈦合金基底產(chǎn)生了直接的接觸并且有氧化磨損的發(fā)生，而與織構(gòu)化熱氧化表面相對(duì)摩擦?xí)r，磨損面積明顯要小于未織構(gòu)面[圖11(b)]，磨斑表面較為光滑，沒有明顯的犁溝與塑性變形.同時(shí)元素分析表明磨斑處有一定量的F元素存在，這說明摩擦過程中有一定量的PTFE潤(rùn)滑劑在鈦合金氧化球表面形成轉(zhuǎn)移膜，從而大大降低了鈦合金自配副在滑動(dòng)條件下的磨損.

Fig.11 SEM micrographs of TC4 balls worn surfaces: (a)matching with smooth surface; (b)thermal oxidized textured surface TOL3; (a′,b′)corresponding EDS spectra圖11 摩擦對(duì)偶TC4球表面磨損形貌的SEM照片：(a)光滑表面作為摩擦對(duì)偶時(shí)；(b)熱氧化織構(gòu)化表面(TOL3)作為摩擦對(duì)偶；(a′,b′)相應(yīng)的EDS譜圖

3 結(jié)論

使用激光微加工法在TC4鈦合金表面制備了規(guī)則形狀的表面織構(gòu)，結(jié)合表面熱氧化及涂覆PTFE固體潤(rùn)滑薄膜的方式在織構(gòu)化表面制備了復(fù)合耐磨結(jié)構(gòu).考察了表面織構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)摩擦性能的影響，主要的結(jié)論如下：

a.激光表面織構(gòu)顯著增強(qiáng)了鈦合金在涂覆PTFE潤(rùn)滑薄膜條件下的摩擦磨損性能.在相同的織構(gòu)間距條件下，線型織構(gòu)較圓形織構(gòu)顯示了更為優(yōu)異的減摩抗磨性能.與未織構(gòu)面相比，優(yōu)化的織構(gòu)化表面的摩擦系數(shù)與磨損率可分別降低69.3%與99.3%.

b.與單一的織構(gòu)化表面相比，織構(gòu)面經(jīng)熱氧化后可進(jìn)一步增強(qiáng)表面潤(rùn)滑薄膜的耐磨損性能.高硬度表面氧化膜的存在起到了提高表面承載及耐磨損性能的作用，磨損率較未熱氧化織構(gòu)化表面可降低46.1%.

c.與未織構(gòu)化表面相比，織構(gòu)化表面微結(jié)構(gòu)內(nèi)填充的固體潤(rùn)滑劑在摩擦過程中被摩擦對(duì)偶提取至微坑邊緣從而保持了潤(rùn)滑膜的存在，并且高織構(gòu)密度結(jié)構(gòu)更有利于潤(rùn)滑介質(zhì)的補(bǔ)充，熱氧化膜則顯示了良好的抗磨損及抗塑性變形能力，從而實(shí)現(xiàn)了三者的協(xié)同減摩抗磨的作用.