劉 港，劉 靜，楊 峰，陳 麗

(貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550001)

0 前 言

鈦合金具有一系列優(yōu)異特性，例如密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、生物相容性好等，并且在航空航天、醫(yī)療設(shè)備、海洋工程等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的金屬材料之一[1-6]。為強(qiáng)化TA1 鈦合金組織結(jié)構(gòu)并提高其耐磨性能，進(jìn)一步擴(kuò)寬其應(yīng)用，需對(duì)TA1 鈦合金進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。鈦合金的表面涂層技術(shù)主要有噴涂技術(shù)、微弧氧化技術(shù)等。但噴涂技術(shù)制備的涂層的孔隙缺陷較多，微弧氧化技術(shù)也同樣存在單位面積耗能量較大、涂層膜層多孔等缺點(diǎn)。現(xiàn)有表面機(jī)械強(qiáng)化手段有超聲滾壓、噴丸等，會(huì)限制其強(qiáng)化深度以及導(dǎo)致疲勞壽命急劇降低[7]。

表面機(jī)械研磨處理(Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT)是一種表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)。其原理為通過鋼球高頻撞擊試樣而使表面產(chǎn)生劇烈的塑性變形，并在金屬表面形成與基體結(jié)合良好的梯度納米結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高硬度、強(qiáng)度和抗摩擦磨損性能的目的。SMAT 被認(rèn)為是一種在塊狀材料上生成納米晶層的獨(dú)特方法，與表面涂層技術(shù)[8，9]相比，SMAT 具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如化學(xué)成分沒有變化，基體與納米晶表面層之間有足夠的結(jié)合[10，11]。Wen 等[12]研究了純鈦進(jìn)行SMAT 處理前后的摩擦學(xué)行為，結(jié)果表明與未處理的粗晶相比，SMAT 處理的試樣具有更低的摩擦系數(shù)和更小的磨損量，即其耐磨性得到了增強(qiáng)，但材料損失明顯，且延性有限。崔言超[13]研究發(fā)現(xiàn)SMAT 處理后再進(jìn)行時(shí)效處理能夠明顯提高材料的硬度。安艷麗等[14]通過純鐵SMAT 的預(yù)處理獲得表面納米層和梯度結(jié)構(gòu)，有效促進(jìn)了鐵鎳的擴(kuò)散，提升了合金層厚度和結(jié)合強(qiáng)度。陳婷婷等[15]采用SMAT 技術(shù)在S31254 超級(jí)奧氏體不銹鋼表面制備得到了梯度結(jié)構(gòu)。本工作于SMAT 技術(shù)基礎(chǔ)之上提出一種新的復(fù)合改性方法:第一，通過高速運(yùn)動(dòng)的磨球?qū)A1 試樣表面反復(fù)撞擊、摩擦，使其表層發(fā)生塑性變形并逐漸加工硬化，在磨球進(jìn)一步機(jī)械的作用下誘導(dǎo)表層晶粒中位錯(cuò)通過塞積及纏結(jié)逐漸形成亞晶界甚至產(chǎn)生非晶化，導(dǎo)致組織細(xì)化和強(qiáng)化，形成一定厚度的強(qiáng)化層[16-18]；第二，通過加入塑性粉末Ni 作為粘結(jié)劑，與WC 粉末在總計(jì)2 g 的總量下，按5 種不同配比(Ni ∶WC 1 ∶1、Ni ∶WC 2 ∶1、Ni ∶WC 3 ∶1、Ni ∶WC 4 ∶1、Ni ∶WC 5 ∶1)通過磨球高速?zèng)_擊時(shí)將粉末反復(fù)的擠壓變形，并在TA1 鈦合金表面產(chǎn)生焊接和機(jī)械涂覆作用，從而形成涂層產(chǎn)生進(jìn)一步的強(qiáng)化效果[19]，使得耐磨性與耐高溫氧化性能得到顯著的提高。本工作所采用的SMAT 可控制氣氛，能夠避免處理過程中的氧化損耗且強(qiáng)化效率高，且加入的塑性粉末Ni 粉能使得WC 增強(qiáng)顆粒與基體更好的結(jié)合。本工作可以豐富鈦合金在復(fù)合強(qiáng)化領(lǐng)域的技術(shù)手段，為鈦合金的強(qiáng)韌化和抗磨性能的研究提供一定理論參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 樣品及預(yù)處理

試驗(yàn)用材為φ15 mm×8 mm 的TA1 鈦合金柱狀材料。先用碳化硅砂紙(60 ～2 500 號(hào))將試樣依次打磨，再用氧化鋁拋光粉末懸浮液對(duì)樣品進(jìn)行拋光。將前處理完成后的試樣用無水乙醇清洗，再用蒸餾水清洗并吹干。

1.2 表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化

表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化試驗(yàn)采用QM3SP4 行星式球磨機(jī)配以氧化鋯材球磨罐。為提高磨球沖撞頻率，每個(gè)罐中放入φ10 型號(hào)鎢鋼球20 顆、φ8 型號(hào)鎢鋼球15 顆、φ5 型號(hào)鎢鋼球30 顆以及2 個(gè)試樣。向罐中加入Ni 粉與WC 粉末共計(jì)2 g，并細(xì)分為5 種比例(1 ∶1，2 ∶1，3 ∶1，4 ∶1，5 ∶1)進(jìn)行規(guī)律探究。先用N2對(duì)罐子進(jìn)行至少3 次洗氣，后向罐中充入0.05 MPa 的N2，使得罐中氧濃度盡可能降低，球和試樣處于N2氣氛環(huán)境下，在350 r/min 轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行8 h 表面機(jī)械形變球磨強(qiáng)化處理。球磨強(qiáng)化完成后放掉剩余氣體取出試樣，先在酒精中用超聲清洗30 min，后用蒸餾水清洗并吹干，獲得經(jīng)過表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化處理后的TA1 試樣。

1.3 測試分析

對(duì)經(jīng)表面機(jī)械強(qiáng)化處理后的TA1 試樣進(jìn)行切割，截面經(jīng)打磨拋光處理后，采用Kroll 溶液(100 mL 蒸餾水+1～3 mL HF+2 ～6 mL 硝酸)進(jìn)行腐蝕，通過Axio Scope.A1 光學(xué)顯微鏡觀察試樣的截面微觀形貌。采用自制的往復(fù)磨損試驗(yàn)裝置[20]，以直徑為7 mm 大小的氧化鋁球?yàn)槟Σ粮?，分別在5 N 和10 N 載荷下，對(duì)原始樣和強(qiáng)化樣進(jìn)行往復(fù)式干摩擦試驗(yàn)，磨損的單程位移為12 mm，磨損頻率為625 Hz。采用SuperView W1 光學(xué)3D 輪廓儀觀察不同磨損TA1 強(qiáng)化樣品在不同載荷下的磨痕形態(tài)，通過使用3D 輪廓儀測量劃痕面積來計(jì)算磨損體積。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

經(jīng)過表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化后，隨著深度的增加，在樣品截面可清晰觀察到存在涂層區(qū)、形變細(xì)晶區(qū)、過渡區(qū)、基體4 個(gè)區(qū)域，整個(gè)組織呈現(xiàn)梯度變化的特征。圖1為Ni 與WC 不同比例混合增強(qiáng)介質(zhì)強(qiáng)化后TA1 合金的截面金相顯微形貌。TA1 鈦合金在Ni+WC 5 種比例混合增強(qiáng)介質(zhì)下進(jìn)行表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化后所得的強(qiáng)化樣同樣會(huì)形成復(fù)合強(qiáng)化涂層，5 種比例增強(qiáng)介質(zhì)下表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化涂層的截面微觀組織為顆粒增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時(shí)，5 種比例所形成的復(fù)合強(qiáng)化層存在一定的差異。其中淺灰色的為增強(qiáng)顆粒；深灰色的為粘結(jié)材料?？梢钥闯觯瑥?fù)合強(qiáng)化涂層中的WC 增強(qiáng)顆粒之間的連接性、Ni+WC混合增強(qiáng)介質(zhì)下表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化涂層與TA1 鈦合金基體結(jié)合狀況都離不開塑性粉末Ni 所充當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)相。所以，Ni+WC 增強(qiáng)介質(zhì)下表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化涂層的結(jié)合程度與缺陷的多少會(huì)受粘結(jié)相Ni粉含量的影響。

圖1 Ni 與WC 不同比例混合增強(qiáng)介質(zhì)強(qiáng)化后TA1 合金的截面金相顯微形貌Fig.1 Section metallographic diagram of TA1 alloy strengthened by Ni and WC mixed reinforcement medium

當(dāng)混合增強(qiáng)介質(zhì)比例為1 ∶1 與2 ∶1 時(shí)，增強(qiáng)介質(zhì)下表面機(jī)械復(fù)合涂層的粗糙度及厚度較為接近。比例為1 ∶1 時(shí)，由于所加入的塑性粉體較少，涂層內(nèi)部出現(xiàn)孔洞，且涂層與基體界面出現(xiàn)裂紋，其原因?yàn)樗苄苑勰㎞i 粉加入量較少，涂層結(jié)合力有限。比例為2 ∶1時(shí)，涂層內(nèi)的微觀缺陷較少，涂層與基體界面的結(jié)合得到一定的改善，更加平齊，但均勻性降低，TA1 鈦合金基體與其結(jié)合的界面依然存在少量微小的孔洞。

當(dāng)塑性粉末Ni 粉的含量繼續(xù)增加，Ni+WC 混合型增強(qiáng)介質(zhì)的比例為3 ∶1 時(shí)，表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化涂層的截面微觀組織更為優(yōu)異。塑性粉末Ni 粉在表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化涂層的形成過程中所起到的作用有:第一，在表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化過程中鎢鋼球的撞擊使得塑性粉末Ni 較易焊接到TA1 鈦合金基體的表面，也使得WC 增強(qiáng)顆粒能夠更好地與基體結(jié)合；第二，塑性粉末Ni 粉能夠有效防止Ni+WC 粉末混合體系快速加工硬化以及防止強(qiáng)化涂層內(nèi)部應(yīng)力集中出現(xiàn)相應(yīng)缺陷，這些均表明塑性粉末Ni 粉在體系中具有良好的緩沖作用。因此，強(qiáng)化涂層內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)缺陷減少，結(jié)合性能得到一定的提升。

采用Ni ∶WC 為4 ∶1 的混合粉末所制備的涂層，無論是涂層的致密度還是其與基體的結(jié)合性能都得到極大的改善。然而，當(dāng)粉末配比為4 ∶1 時(shí)，所制備的涂層表面硬度降低，當(dāng)原始粉末中的Ni 含量與W 含量的比值超過3 ∶1，隨著Ni 含量的增加，涂層表面硬度降低。當(dāng)粉末配比為5 ∶1 時(shí)，所制備的涂層缺陷又增多。因此，綜合考慮涂層的顯微組織和表面性能，認(rèn)為采用Ni ∶WC 為3 ∶1 的混合粉末制備涂層最合適。

2.2 干磨損性能

圖2 為2 種載荷下不同強(qiáng)化樣品摩擦系數(shù)曲線，相關(guān)參數(shù)見表1。Ni 與WC 5 種不同比例混合增強(qiáng)介質(zhì)進(jìn)行表面機(jī)械形變復(fù)合強(qiáng)化后，與原樣相比均存在一定時(shí)間的低摩擦系數(shù)區(qū)間，在5 N 載荷下，Ni ∶WC為1 ∶1 的強(qiáng)化樣在0～800 s 左右時(shí)間內(nèi)摩擦系數(shù)低于未經(jīng)處理的TA1 原樣，之后與原樣相近，比例為2 ∶1在0～2 100 s 左右時(shí)間內(nèi)摩擦系數(shù)低于未經(jīng)處理的TA1 原樣，之后與原樣相近甚至高于原樣，該比例摩擦系數(shù)波動(dòng)大穩(wěn)定性差，這是由于比例為2 ∶1 時(shí)，形成的強(qiáng)化層均勻性差。比例為3 ∶1 時(shí)在0～2 900 s 左右存在1 個(gè)在所有比例中摩擦系數(shù)的最低區(qū)間，且摩擦系數(shù)為0.1～0.2 之間能夠持續(xù)1 930 s 左右。4 ∶1 與5 ∶1摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，從開始經(jīng)過約850 s 摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.4 左右。

表1 2 種載荷下不同強(qiáng)化樣品摩擦系數(shù)相關(guān)參數(shù)Table 1 Correlation parameters of friction coefficient of different strengthened samples under two loads

由此可見總體來看在2 種載荷下，Ni ∶WC 為3 ∶1摩擦系數(shù)更小且較為穩(wěn)定，5 ∶1 摩擦系數(shù)穩(wěn)定且低于原樣。其余3 種比例摩擦系數(shù)提升有限或摩擦系數(shù)不穩(wěn)定。

圖3 為Ni 與WC 5 種比例混合增強(qiáng)介質(zhì)下表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化處理后TA1 強(qiáng)化樣在5，10 N 載荷下的磨損量?？芍獜?qiáng)化樣磨損量均小于未經(jīng)處理的TA1 原樣。Ni ∶WC 為3 ∶1 的磨損量在2 種載荷下均為最小，其次為2 ∶1 與4 ∶1，而5 ∶1 與1 ∶1 磨損量較大，其中1 ∶1 磨損量最大，5 N 與10 N 載荷下規(guī)律相同。通過對(duì)磨損量的分析可知，當(dāng)混合增強(qiáng)介質(zhì)Ni ∶WC比例為1 ∶1 時(shí)候，強(qiáng)化樣在2 種載荷下磨損1 h 所損失的體積量均為最大，與前面摩擦系數(shù)與原樣接近且不穩(wěn)定相對(duì)應(yīng)。當(dāng)混合強(qiáng)化介質(zhì)Ni 與WC 的比例為3 ∶1時(shí)，耐磨性能最為優(yōu)異，與前面低摩擦系數(shù)區(qū)間穩(wěn)定時(shí)間更長更優(yōu)異相對(duì)應(yīng)。

圖3 Ni、WC 5 種比例混合增強(qiáng)介質(zhì)下機(jī)械形變復(fù)合強(qiáng)化后磨損量Fig.3 Wear value of mechanical deformation after composite strengthening in Ni and WC proportionally mixed reinforcing media

Ni 與WC 5 種比例混合型增強(qiáng)介質(zhì)表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化后進(jìn)行磨損試驗(yàn)后的截面輪廓曲線如圖4。由于鈦合金物理屬性質(zhì)軟，載荷一定的情況下，易發(fā)生塑性變形。經(jīng)過接觸壓力所導(dǎo)致的塑性變形會(huì)隨時(shí)間的延長而加強(qiáng)，從而導(dǎo)致磨痕深度和磨痕寬度逐漸增大。

圖4 Ni、WC 5 種比例混合增強(qiáng)介質(zhì)下機(jī)械形變復(fù)合強(qiáng)化后輪廓曲線Fig.4 Profile curves after mechanical deformation combined strengthening in Ni and WC proportionally mixed reinforcing medium

Ni 與WC 5 種比例混合型增強(qiáng)介質(zhì)表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化后進(jìn)行磨損試驗(yàn)(5 N)后的3D 形貌如圖5，磨損試驗(yàn)(10 N)后的3D 形貌如圖6 所示。在5 N 載荷磨損1 h 后，2 ∶1、3 ∶1、4 ∶1比例混合增強(qiáng)介質(zhì)下機(jī)械復(fù)合形變強(qiáng)化處理后的TA1 試樣的磨損痕跡不明顯，摩擦副在晶界面上只發(fā)生輕微磨損，磨屑與晶界面的黏附可能是使得磨損后晶界還存在部分突起的原因。而1 ∶1 與5 ∶1 可見表面晶界面被破壞相對(duì)嚴(yán)重。強(qiáng)化樣在10 N 載荷作用下Ni 與WC 比例為1 ∶1 時(shí)晶界面被破壞完全，晶界面位置無法清晰識(shí)別，晶面已經(jīng)發(fā)生明顯磨損，所產(chǎn)生的磨屑被Al2O3摩擦副完全磨掉，磨痕清晰可見。比例為5 ∶1時(shí)，晶界面損失也較為明顯，晶面存在突起較淺，而比例為2 ∶1、3 ∶1、4 ∶1 相對(duì)破壞程度較輕，磨痕較淺。結(jié)合磨損量和磨損形貌的試驗(yàn)結(jié)果，此種混合型增強(qiáng)介質(zhì)處理后的強(qiáng)化樣的磨損性能明顯改善，大大提高了TA1 合金的耐磨性能。由圖4 2 種載荷下5 種不同比例的磨損輪廓曲線可知Ni ∶WC為3 ∶1 時(shí)磨損輪廓寬度小、深度淺，進(jìn)一步說明此比例更具優(yōu)異的耐磨損性能。

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)過Ni+WC 粉末混合增強(qiáng)體系下表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化后，表面形成由Ni+WC 涂層+形變細(xì)晶區(qū)組成的復(fù)合強(qiáng)化層，隨著深度的增加，整個(gè)組織呈現(xiàn)梯度變化的特征，Ni ∶WC 為3 ∶1 時(shí)涂層的微觀缺陷最少，結(jié)合程度更好。

(2)經(jīng)過Ni+WC 粉末混合增強(qiáng)體系下機(jī)械形變復(fù)合強(qiáng)化后在5 N、10 N 載荷下，表面機(jī)械復(fù)合強(qiáng)化處理后的TA1 合金摩擦系數(shù)較原樣相比，均存在低摩擦系數(shù)區(qū)?？傮w來看，5 N 載荷下，3 ∶1 配比的低摩擦系數(shù)區(qū)間持久，10 N 載荷下，3 ∶1 配比的低摩擦系數(shù)區(qū)間更為穩(wěn)定；且比例為3 ∶1 時(shí)磨損量最少，低摩擦系數(shù)持續(xù)時(shí)間更久且較為穩(wěn)定，可見此比例下的減摩效果更為優(yōu)異。