胡 波，徐 辰，劉 斌，閆曉鋒

(1.航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077；2.中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西 西安 710077)

0 前 言

鈦合金因其密度低、耐蝕性好以及在-253 ～500 ℃寬溫域范圍內(nèi)可以保持高強(qiáng)度等特點(diǎn)，成為承受高溫發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)系統(tǒng)部件的首選材料。但鈦合金硬度低，通常不超過(guò)380 HV，摩擦系數(shù)高，耐磨性差，黏著磨損嚴(yán)重以及容易吸氫等缺陷極大地影響鈦合金作動(dòng)產(chǎn)品的使用壽命與可靠性。如何提高鈦合金作動(dòng)部件產(chǎn)品摩擦副的耐磨性能，是鈦合金作動(dòng)筒產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中待解決的首要問(wèn)題。近年來(lái)，鈦合金化學(xué)鍍Ni-P 合金受到了人們的廣泛關(guān)注，但由于鈦合金電位低，極易氧化生成氧化膜，降低了鍍層與基體結(jié)合力，給施鍍帶來(lái)困難[1]。唐恩軍等[2]通過(guò)吹砂和活化的前處理方法在鈦合金表面獲得了結(jié)合力良好的化學(xué)鍍Ni-P 層。Khoperia[3]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢愿淖僋i-P 層組織結(jié)構(gòu)，使Ni3P 第二相顆粒析出產(chǎn)生彌散強(qiáng)化使鍍層硬度提高，從而提升了鍍層的耐磨性。王迎春等[4]采用磷含量為12.8%的Ni-P 鍍層經(jīng)400 ℃熱處理1 h 后，鍍層硬度最高(1 100 HV)，鍍層耐磨性能明顯提高。目前，利用Ni-P 鍍層提高鈦合金耐磨性的研究主要集中在前處理(活化)以及后處理(熱處理強(qiáng)化)工藝方面的探討并通過(guò)顯微硬度、磨損量的對(duì)比來(lái)研究鍍層的耐磨性能[5]。

本工作以工程化應(yīng)用為目的，通過(guò)單因素試驗(yàn)優(yōu)選出了影響鈦合金化學(xué)鍍鎳膜層性能的工藝參數(shù)，并以作動(dòng)部件鈦合金TC6 試塊(模擬筒體)-沉淀硬化不銹鋼15-5PH 試環(huán)(模擬活塞)摩擦副為研究對(duì)象，研究在不同強(qiáng)化處理?xiàng)l件下TC6 試塊化學(xué)鍍鎳，15-5PH試環(huán)CMT 熔覆SCu6180 銅合金涂層的摩擦磨損行為，獲取摩擦系數(shù)、磨損量等性能參數(shù)，為不同使用要求下的鈦合金筒體-活塞等相關(guān)摩擦副的設(shè)計(jì)、處理工藝提供數(shù)據(jù)及試驗(yàn)支持并實(shí)現(xiàn)在作動(dòng)系統(tǒng)部件產(chǎn)品中推廣工程化應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣加工及制備

筒體材料采用TC6(GB/T 2965)鈦合金，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:6.50Al、2.50Mo、1.20Cr、0.50Fe，0.25 Si，余量為Ti。熱處理狀態(tài)為雙重退火，表面硬度350 HV1N，對(duì)比研究用活塞頭材料為15 - 5PH 不銹鋼(AMS5659)，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%):0.07C、1.00Mn、1.00Si、14.50Cr、4.00Ni、3.50Cu，0.45Nb，余量為Fe。經(jīng)固溶熱處理，表面硬度410 HV1N。將TC6 鈦合金和15-5PH 不銹鋼的棒材機(jī)械加工成試塊-試環(huán)如圖1，然后進(jìn)行機(jī)械拋光，再采用乙醇和丙酮進(jìn)行超聲波清洗。試樣的表面粗糙度Ra0.4 μm。試環(huán)(15 -5PH)采用表面CMT 堆焊SCu6180 鋁青銅減摩涂層處理，試塊(TC6)采用鈦合金化學(xué)鍍鎳強(qiáng)化處理。

圖1 試塊(TC6)-試環(huán)(15-5PH)摩擦副加工工程圖Fig.1 Processing engineering drawing of test block(TC6)-test ring(15-5PH) friction pair

1.2 檢測(cè)及表征方法

(1)采用ZEISS-40MAT 型掃描電鏡(SEM)觀察分析強(qiáng)化層表面及其磨損面微觀形態(tài)特征；

(2)采用Wilson-TURON-2500 硬度測(cè)試儀，按ASTM-E-384 對(duì)強(qiáng)化層進(jìn)行硬度檢測(cè)，并記錄鍍層硬度實(shí)值；

(3)采用X-max20 能譜儀，按GB 3620.1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)強(qiáng)化層進(jìn)行成分測(cè)試分析，測(cè)定強(qiáng)化層元素；

(4)采用ELTRA-ONH-2000 型氧氮?dú)浞治鰞x，按GB 4698 對(duì)不同熱處理狀態(tài)下鈦合金的含氫量進(jìn)行測(cè)試。

1.3 試環(huán)(活塞頭)-試塊(筒體)摩擦磨損模擬試驗(yàn)

為對(duì)比試環(huán)CMT 熔覆減摩涂層前后的耐磨性能差異，將試環(huán)-試塊磨損試件分為A1 ～A2、B1 ～B2 共2組，其中A 組2 套試件的試環(huán)磨損面均不進(jìn)行處理，試塊磨損面的處理方式分別為化學(xué)鍍鎳并真空熱處理及不進(jìn)行處理。B 組2 套試件的試環(huán)磨損面均進(jìn)行CMT堆焊SCu6180 鋁青銅減摩涂層處理，試塊磨損面的處理方式同A 組。2 組共4 套試環(huán)-試件分別進(jìn)行120 min 的磨損(2 組實(shí)驗(yàn)分別重復(fù)3 次取平均值)，并檢測(cè)摩擦系數(shù)、磨痕寬度、質(zhì)量損失量等摩擦磨損性能數(shù)據(jù)，具體試驗(yàn)形式如圖2 所示。

圖2 試環(huán)-試塊摩擦磨損試驗(yàn)基本原理Fig.2 The test ring-test block friction and wear test principle

試塊-試環(huán)磨損試驗(yàn)設(shè)備采用M2000 磨耗儀按GB/T 3960 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)壓力196 N，施加壓力后試塊與試環(huán)的接觸面積約為9.6 mm2(試塊寬度6 mm，長(zhǎng)度方向與試環(huán)的接觸長(zhǎng)度約為1.6 mm)，根據(jù)圓柱與平面接觸應(yīng)力公式:，其中δmax為最大接觸壓力(MPa)；P為集中載荷(N)；R為半徑(mm)；E為彈性模量(MPa)；l為軸長(zhǎng)(mm)，可以計(jì)算出磨損接觸面的壓強(qiáng)約為28 MPa；試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為200 r/min，試環(huán)直徑φ40 mm，則摩擦線速度為418.67 mm/s；試環(huán)、試塊在120 min 的磨損時(shí)長(zhǎng)下相應(yīng)的磨損距離為3 014.4 m；采用15 號(hào)航空液壓油間歇潤(rùn)滑。據(jù)上述試驗(yàn)條件可知，若活塞頭涂敷銅合金寬度合計(jì)20 mm，則經(jīng)120 min 的磨損試驗(yàn)，相當(dāng)于作動(dòng)部件完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)75 360次，滿足其安全服役壽命需求。

2 結(jié)果與討論

2.1 TC6 化學(xué)鍍鎳層制備工藝參數(shù)對(duì)鎳層性能的影響

2.1.1 前處理方法對(duì)鍍層結(jié)合力的影響

鈦合金極易氧化，其新鮮表面接觸空氣或水溶液會(huì)立刻生成氧化膜。要獲得結(jié)合力良好的鍍鎳層，首先需將鈦合金表面的氧化膜除凈，其次是在鍍鎳層金屬被沉積前保持鈦合金的活性表面，因此，鈦合金化學(xué)鍍鎳前處理方式直接影響鎳層與基體間的結(jié)合力情況[6-8]，采用不同前處理方案進(jìn)行單因素試驗(yàn)以優(yōu)選出獲得良好結(jié)合力鍍層的工藝參數(shù)(如表1)。

表1 不同前處理的鍍層結(jié)合力情況Table 1 Coating adhesion of different pretreatment

鍍層結(jié)合力檢查使用銼刀法并結(jié)合觀察鍍層形貌的方法。選取前處理方法3、6 進(jìn)行SEM 掃描得到的鍍層組織形貌如圖3 所示，由圖3 可知，圖3a 采用低壓吹細(xì)砂+沖擊鍍鎳處理，鍍層局部存在裂紋及脫落，結(jié)合力不合格；圖3b 采用低壓吹細(xì)沙+氫氟酸腐蝕，得到的鍍層均勻致密幾乎沒(méi)有裂紋，經(jīng)銼刀法檢查，鍍層結(jié)合力合格且流程較簡(jiǎn)單。

圖3 不同前處理的鍍層組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the coating with different pretreatment

2.1.2 溫度對(duì)鍍層硬度的影響

TC6 化學(xué)鍍鎳后依據(jù)AMS 2404 和HB/Z 5071 標(biāo)準(zhǔn)選取不同溫度(288，343，399，488 ℃)進(jìn)行熱處理，分別在空氣爐和真空爐里進(jìn)行。采用Wilson-TURON-2500 硬度測(cè)試儀，按ASTM-E-384 進(jìn)行鍍層硬度檢測(cè)，并記錄鍍層硬度實(shí)值。在空氣爐中進(jìn)行不同溫度的熱處理后，鈦合金試樣隨著溫度的升高，其表面發(fā)生氧化，顏色由淡黃色→藍(lán)色→紫色[9]，在真空爐中進(jìn)行同樣溫度的熱處理后，鈦合金試樣未發(fā)生氧化，表面仍為光亮的金屬本色。

通過(guò)顯微硬度測(cè)試，鈦合金化學(xué)鍍鎳試樣經(jīng)真空爐不同溫度熱處理后，鍍層厚度與硬度參數(shù)如表2 所示。

表2 溫度與鈦合金化學(xué)鍍鎳層硬度的關(guān)系Table 2 Relationship between temperature and hardness of chemical nickel-plating on TC6

鍍層厚度約為40～45 μm，為明確鍍層厚度與對(duì)應(yīng)硬度的關(guān)系，沿基體向外每10 μm 范圍內(nèi)測(cè)試硬度并形成不同溫度下的鍍層硬度梯度。表2 顯示鍍層硬度隨著真空爐溫度的升高，表現(xiàn)為先升后降，288 ℃熱處理后試樣的硬度約為755 HV1N；343 ℃時(shí)硬度達(dá)到約830 HV1N；399 ℃時(shí)硬度達(dá)到約906 HV1N；488 ℃硬度為662 HV1N左右，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，鍍層中Ni-P 合金組織粗化導(dǎo)致硬度有所下降。綜上所述，鈦合金化學(xué)鍍鎳層采用真空熱處理溫度為399 ℃時(shí)，硬度最高。

2.1.3 化學(xué)鍍鎳鍍層成分檢測(cè)

鈦合金化學(xué)鍍鎳鍍層采用X-max20 能譜儀，按GB/T 3620.1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成分測(cè)試分析。鈦合金化學(xué)鍍鎳鍍層能譜(見(jiàn)圖4)詳細(xì)成分如表3 所示。

圖4 TC6 化學(xué)鍍鎳鍍層能譜Fig.4 TC6 Chemical nickel-plating component diagram of energy spectrum

表3 TC6 化學(xué)鍍鎳鍍層能譜成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 3 TC6 chemical nickel-plating component diagram of energy spectrum(mass frac_t_io_n_)________%__

如圖4 所示，通過(guò)選取鍍層不同區(qū)域進(jìn)行能譜成分分析，得到表3 的具體成分的數(shù)據(jù)，圖4b 為圖譜2區(qū)域的鍍層能譜成分，其中Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為92.40%，P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為6.75%，可以看出化學(xué)鍍鎳處理的鍍層為Ni-P合金，這類非晶態(tài)合金經(jīng)一定溫度加熱晶化后，晶粒細(xì)微，并伴隨著析出細(xì)小、彌散分布的金屬間化合物，在鍍層中引起彌散強(qiáng)化，使鍍層顯微硬度大大提高[10]。

2.1.4 不同熱處理狀態(tài)對(duì)含氫量的影響

鈦合金極易吸氫并且這是導(dǎo)致氫脆斷裂的直接因素，鈦合金中氫的固溶度為20 ～200 mg/L。當(dāng)超過(guò)溶解度時(shí)，就會(huì)形成TiHx，隨著氫含量進(jìn)一步提高，氫化物的數(shù)量增加，體積增大，引發(fā)脆裂[11]。對(duì)比化學(xué)鍍鎳前后以及不同熱處理方式(選擇熱處理后化學(xué)鍍鎳層硬度最高的溫度，399 ℃)對(duì)鈦合金基體吸氫量的影響，采用ELTRA-ONH-2000 型氧氮?dú)浞治鰞x按GB/T 4698對(duì)4 種鈦合金的含氫量進(jìn)行測(cè)試，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同熱處理狀態(tài)TC6 試件的含氫量Table 4 Hydrogen content of TC6 speciments with different heat treatment

從表4 可以看出，雖然采用了氫氟酸等酸性溶液進(jìn)行了活化處理以及化學(xué)鍍鎳工序中都會(huì)有吸氫過(guò)程[11]，但是鈦合金在本工藝的增氫量并不多，約在30～50 mg/L 之間。鈦合金化學(xué)鍍鎳采用空氣爐熱處理，會(huì)引發(fā)吸氫，399 ℃時(shí)含氫量為264.76 mg/L，超出了可以形成氫化物的溶解度范圍。因此鈦合金化學(xué)鍍鎳需采用真空爐進(jìn)行熱處理。當(dāng)真空爐399 ℃熱處理時(shí)，含氫量由109.00 mg/L 降低為104.28 mg/L，說(shuō)明真空熱處理可釋放鈦合金在化學(xué)鍍鎳工藝過(guò)程吸收的氫，因此含氫量有所降低并且在安全范圍內(nèi)。

2.2 試環(huán)表面CMT 熔覆制備鋁青銅減摩涂層

采用CMT 熔覆工藝(焊接電流63 A、焊機(jī)速度12 mm/s 及氬氣流量10 L/min)對(duì)試環(huán)(15-5PH)表面進(jìn)行CMT 熔覆SCu6180 鋁青銅減摩涂層處理，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)為:9.5Al、2.5Fe，0.2Zn，余量為Cu。熔覆完成的試環(huán)表面見(jiàn)圖5a，熔覆層經(jīng)機(jī)械拋光后其表面狀態(tài)見(jiàn)圖5b。

圖5 15-5PH 試環(huán)表面CMT 熔覆SCu6180 銅合金層及加工Fig.5 CMT melt clad SCu6180 copper alloy on the surface of 15-5PH test ring and processing drawing

2.3 試環(huán)-試塊摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

上述A、B 試環(huán)、試塊試件經(jīng)120 min 的磨損后，其摩擦系數(shù)、質(zhì)量損失率及試塊磨損面表面形態(tài)如表5所示。

表5 A、B 組試環(huán)-試塊摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Friction and wear test results of test ring-test block in group A and B

從表5 中A 組試件磨損結(jié)果可以看出在相同的摩擦磨損條件下，未經(jīng)強(qiáng)化處理的鈦合金試塊A2，磨痕寬度較大，磨損嚴(yán)重，這是因?yàn)殁伜辖鸨旧碛捕容^低僅為350 HV，A2 摩擦系數(shù)大為0.79，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重的黏著磨損[14]，磨損量為355.3 mg。經(jīng)化學(xué)鍍鎳處理的鈦合金試塊A1 表面基本完好，未出現(xiàn)裂紋或脫落，證明鍍層結(jié)合力滿足需求并且不存在氫脆斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，其摩擦系數(shù)顯著降低，由0.79 下降到0.32，這是因?yàn)榛瘜W(xué)鍍鎳層經(jīng)真空熱處理后硬度較高約900 HV1N，圖6 為A 組摩擦副摩擦系數(shù)及磨損量，從圖6 可以看出由起初的磨粒摩擦(摩擦系數(shù)短暫升高)到穩(wěn)定的滑動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.32，磨痕寬度僅為未強(qiáng)化的1/18；磨損量為未強(qiáng)化的1/240，鈦合金經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳強(qiáng)化后可以有效地提高其耐磨性能。

圖6 A 組摩擦副摩擦系數(shù)及磨損量Fig.6 Friction coefficient and wear of friction pair in group A

B 組試環(huán)經(jīng)120 min 磨損試驗(yàn)后表面涂層形貌及摩擦系數(shù)如圖7 所示。對(duì)比表5 中A、B 組試件的摩擦試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試環(huán)B1 表面經(jīng)CMT 熔覆SCu6180銅合金層后，其摩擦磨損性能可進(jìn)一步提升，這歸結(jié)于熔覆的SCu6180 涂層為銅-鋁-鐵三元系高強(qiáng)度鋁青銅，其中的元素鐵形成FeAl3化合物并成為合金凝固時(shí)的結(jié)晶核心，使網(wǎng)狀的脆性(α+γ2)共析體轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，從而顯著提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性能，圖7a 顯示銅合金涂層經(jīng)摩擦磨損后僅有輕微的劃痕，具有良好的減摩作用，因此摩擦系數(shù)僅為0.12，與A1 組相比下降了30%(如圖7c)，從磨痕寬度及試塊表面磨損形態(tài)可以看出，B1 組鈦合金試塊經(jīng)120 min 磨損試驗(yàn)后其表面未出現(xiàn)明顯磨損痕跡，磨損量極小，為滑動(dòng)摩擦，耐磨性能優(yōu)異。

圖7 B 組試環(huán)磨損后宏觀形貌及摩擦系數(shù)Fig.7 Macromorphology and friction coefficient of group B test ring after wear

2.4 試環(huán)-試塊磨損表面微觀形貌

為了進(jìn)一步研究試環(huán)、試塊的磨損形式，分別拍攝了經(jīng)120 min 磨損后A 組試環(huán)、試塊的磨損面掃描電鏡圖像如圖8 所示。

圖8 A 組試環(huán)-試塊磨損后微觀形貌Fig.8 Macromorphology of group A test ring-block after wear

從圖8 中可以看出A1 組TC6 鈦合金試塊磨損面主要以淺劃痕為主；A2 組試塊表面出現(xiàn)了黏著磨損引起的剝離現(xiàn)象如圖8d 圓圈處所示。從圖8 可以看出，A1 組試環(huán)摩擦面仍以劃痕為主；A2 組試環(huán)表面存在大量的黏著層，已經(jīng)基本觀察不到15-5PH 基體。從上述情況可以看出，A1 組試件在磨損過(guò)程中表現(xiàn)出滑動(dòng)磨損的典型特征，磨損量較?。籄2 組試件則表現(xiàn)出明顯的黏著磨損特征[14]，鈦合金試塊磨損嚴(yán)重。

4 結(jié) 論

(1)鈦合金TC6 化學(xué)鍍鎳處理后，鍍層硬度可隨著溫度升高而提升，真空爐399 ℃處理，硬度可達(dá)906 HV1N，真空熱處理可釋放鈦合金在化學(xué)鍍鎳工藝過(guò)程吸收的氫，因此含氫量有所降低為104.28 mg/L。

(2)在壓強(qiáng)不大于28 MPa 的情況下，TC6 試塊與15-5PH 試環(huán)表面若不進(jìn)行任何處理，即使采用15 號(hào)航空液壓油進(jìn)行間歇潤(rùn)滑，鈦合金試塊也會(huì)因發(fā)生黏著磨損迅速產(chǎn)生大的質(zhì)量損失，經(jīng)120 min 的磨損試驗(yàn)其質(zhì)量損失已達(dá)355.3 mg；

(3)鈦合金表面經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍鎳可大幅度提升TC6試塊的耐磨性能，摩擦系數(shù)從0.79 減小至0.32，經(jīng)120 min 的磨損質(zhì)量損失僅為1.5 mg；

(4)不銹鋼表面經(jīng)CMT 熔覆SCu6180 銅合金層后，其摩擦磨損性能進(jìn)一步提升，其與未處理TC6 試塊間的摩擦系數(shù)為0.22，與化學(xué)鍍鎳處理過(guò)的TC6 試塊之間的摩擦系數(shù)僅為0.12，為滑動(dòng)摩擦，磨損質(zhì)量較小，耐磨性能優(yōu)異。