宋占永, 王紅美, 于鶴龍*, 尹艷麗, 周新遠(yuǎn), 郭永明

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100072;2. 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300072)

鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐蝕性和無磁性等性能特性，尤其是與傳統(tǒng)的鋼鐵結(jié)構(gòu)金屬材料相比，具有更高的比強(qiáng)度和更好的耐腐蝕性能，因此在航空航天、海洋航行、石油化工以及生物醫(yī)學(xué)等裝備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-5]. 然而，由于鈦合金存在硬度低、摩擦系數(shù)高和耐磨性差等缺點(diǎn)，限制了其在運(yùn)動摩擦部件上的應(yīng)用[6-7]. 在鈦基材料中引入硬質(zhì)增強(qiáng)體，以單一或多相協(xié)同的方式得到非連續(xù)增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，可以在保留鈦合金良好理化性能的同時，提升鈦基材料的力學(xué)性能和耐磨性，是滿足鈦基材料高性能應(yīng)用需求的有效途徑[8]. 與外加顆粒法相比，利用材料制備過程中各原料組分之間發(fā)生自蔓延高溫反應(yīng)原位合成的增強(qiáng)體具有分布均勻、尺寸可控及界面純凈等優(yōu)點(diǎn)，得到的原位增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料性能優(yōu)異.

TiB硬度高且化學(xué)穩(wěn)定性好，與鈦的熱膨脹系數(shù)、泊松比和密度接近，熱力學(xué)相容性好，是首選的鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)體之一[9-10]. 吳倩等[11]以Ti粉和MoB2粉為原料，利用熔煉法制備了TiB/Ti復(fù)合材料，其壓縮屈服強(qiáng)度和顯微硬度隨MoB2含量增加而大幅升高.張夢清等[12]采用感應(yīng)熔覆技術(shù)原位合成了TiB增強(qiáng)Ti基復(fù)合涂層，原位TiB增強(qiáng)體分布均勻，與鈦基質(zhì)相結(jié)合良好，復(fù)合涂層的顯微硬度達(dá)到了525 HV0.2，較Ti6Al4V基體提高了67%. Lin等[13]利用激光熔覆TiB2預(yù)置粉末的工藝，在鈦合金表面制備了以原位TiB為骨架的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)TiB/Ti復(fù)合涂層，顯微硬度達(dá)到Ti6Al4V基體的2倍，具有優(yōu)異的抗微動磨損性能. Zhou等[14]以Ti和ZrB2粉末為原料，采用真空燒結(jié)和熱軋工藝制備了高塑性原位TiB/Ti復(fù)合材料，其極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到734.6 MPa、579.0 MPa和21.4%.Zhou等[15]以Ti6Al4V粉末和TiB2粉末為原料，采用選區(qū)激光熔覆技術(shù)制備了原位TiB增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，材料的顯微硬度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較Ti6Al4V合金分別提高了14%、36%和25%. 此外，尚俊玲等[16]通過在Ti-B體系中引入Al元素，進(jìn)一步降低了復(fù)合材料體系的熔點(diǎn)和原位反應(yīng)溫度，使TiB的初始反應(yīng)溫度從1 262 ℃降低到856 ℃，原位增強(qiáng)體的尺寸得到明顯細(xì)化，分布更均勻.

如何進(jìn)一步改善金屬基復(fù)合材料的性能，特別是賦予鈦基復(fù)合材料損傷自修復(fù)功能，使其自動愈合損傷，持續(xù)保持性能并延長使用壽命，是裝備先進(jìn)制造領(lǐng)域亟待解決的核心難題，也是智能材料領(lǐng)域研究關(guān)注的熱點(diǎn)之一[17]. 近年來的研究表明[18-21]，具有層狀結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)態(tài)硅酸鹽礦物粉體，如凹凸棒石、蛇紋石和海泡石等，作為潤滑油自修復(fù)添加劑可在金屬摩擦表面形成具有優(yōu)異力學(xué)性能和良好減摩潤滑性能的自修復(fù)層，實(shí)現(xiàn)金屬材料磨損原位修復(fù)的同時，優(yōu)化材料力學(xué)性能[22-24]. 但納米顆粒在潤滑油(脂)中分散穩(wěn)定性差、制備成本高且損傷修復(fù)容限低等不足限制了其應(yīng)用[25]. 將自修復(fù)成分引入金屬材料，賦予其自修復(fù)功能是解決上述問題的有效途徑，李思勉等[26]將蛇紋石粉與TiAl合金粉混合，采用SPS方法制備了含蛇紋石鈦鋁基復(fù)合材料并研究了其摩擦磨損性能，研究結(jié)果表明蛇紋石作為固體潤滑劑能夠改善鈦鋁基復(fù)合材料摩擦學(xué)性能.

基于此，本文中將凹凸棒石礦物粉體引入Ti-B-Al材料體系，利用放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝制備了原位TiB/凹凸棒石礦物雙相增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，探索了凹凸棒石礦物對鈦基復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)、微納力學(xué)性能和摩擦學(xué)行為的影響，并探討了凹凸棒石改善原位Ti基復(fù)合材料力學(xué)及摩擦學(xué)性能的作用機(jī)制. 本研究將為鈦基復(fù)合材料摩擦損傷智能自修復(fù)研究提供新的探索和支撐.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用粉體原料分別為Ti+5%Al+2.7%B (質(zhì)量百分比，記為TiAlB)和Ti+5%Al+2.7%B+1%凹凸棒石(質(zhì)量百分比，記為TiAlB -A). 其中，Ti粉純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))>99.7%、粒徑15~30 μm；Al粉純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))>99.7%、粒徑10~20 μm；B粉純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))>99%，粒徑3~15 μm；凹凸棒石粉體粒徑1~15 μm，該礦物主要由多種氧化物組成，其主要組分列于表1中. 圖1所示為試驗(yàn)中采用的凹凸棒石粉X射線衍射(XRD)譜圖，與 晶 體Mg5(Si, Al)8O20(OH)2(OH2)4·8H2O以 及 晶 體Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·8H2O的衍射峰相一致，為2種結(jié)構(gòu)晶體的復(fù)合體.

Fig. 1 XRD pattern of attapulgite圖1 試驗(yàn)用凹凸棒石的XRD

表1 凹凸棒石主要氧化物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Main oxide content of attapulgite (atom fraction)

試驗(yàn)粉體原料總重量為200 g，在氬氣氛圍保護(hù)下利用三維混合機(jī)對試驗(yàn)粉體原料進(jìn)行混合處理，混合時間24 h，轉(zhuǎn)速60 r/min. 試驗(yàn)所用組分粉體原料和混合后的復(fù)合粉體微觀形貌照片如圖2所示，根據(jù)粉體原料微觀形貌特征[圖2(a~d)]，可見經(jīng)過混合處理后各組分粉末原料均勻分散于復(fù)合粉體中[圖2(e)].

Fig. 2 SEM micrographs of experimental powders圖2 試驗(yàn)用粉末形貌的SEM照片

1.2 試驗(yàn)方法

燒結(jié)試驗(yàn)采用SPS-20T-10IV型SPS燒結(jié)設(shè)備和石墨模具進(jìn)行，燒結(jié)溫度為 1 300 ℃，升溫速率為100 ℃/min，壓力為 45 MPa，保溫5 min，隨爐冷卻至室溫得到尺寸為Φ20 mm的2種燒結(jié)樣品，分別記為TiAlB和TiAlB-A.

采用400~1 500目水磨砂紙對燒結(jié)樣品表面進(jìn)行打磨，之后采用SiO2拋光液進(jìn)行磨拋處理，得到金相樣品. 利用 Bruker公司的D8-Advance X射線衍射儀(XRD)對燒結(jié)樣品進(jìn)行物相分析；使用 Buehler公司的 Micromet 6030顯微維氏硬度計測試樣品表面的顯微硬度，試驗(yàn)載荷為100 g，加載時間為5 s，并利用Agilent公司的 Nano indenter G200型納米壓痕儀對腐蝕后樣品的微觀組織進(jìn)行了壓痕硬度測試，采用三棱錐金剛石壓頭，測試模式為連續(xù)剛度測試(CSM)，最大壓入深度為300 nm；使用 FEI公司的Nova Nano SEM 650型掃描電子顯微鏡(SEM)對Kroll試劑(3% HF+6% HNO3水溶液，體積分?jǐn)?shù))腐蝕后的樣品表面形貌進(jìn)行微觀表征，并利用OXFORD公司的Feature Max型X射線能譜儀(EDS) 進(jìn)行能譜分析；利用Optimal公司的 SRV-Ⅳ滑動磨損試驗(yàn)機(jī)測試打磨后樣品的摩擦學(xué)性能，試驗(yàn)采用球盤往復(fù)運(yùn)動形式，對偶球?yàn)棣?0 mm 的 GCr15鋼球，潤滑介質(zhì)為CD 5W/40潤滑油，試驗(yàn)條件：行程為1 mm，往復(fù)頻率為10 Hz，載荷為30、40、50、60和70 N，時間為180 min，試驗(yàn)溫度為50 ℃. 試驗(yàn)結(jié)束后，采用無水乙醇對樣品進(jìn)行超聲波清洗，利用奧林巴斯LEXT OLS4000型激光共焦顯微鏡測量樣品的磨損體積，使用Nova Nano SEM 650型掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌并進(jìn)行能譜分析，利用Nano indenter G200型納米壓痕儀對磨損表面進(jìn)行最大壓入深度為2 000 nm的連續(xù)剛度模式壓痕測試；使用Thermo Scientific公司ESCALAB 250xi型X射線光電子能譜儀(XPS)進(jìn)行磨損前后樣品表面元素價態(tài)分析，通過能為20 eV，激發(fā)源為Al Kα，C 1s參考值為284.8 eV.

2 結(jié)果與討論

2.1 物相結(jié)構(gòu)分析

圖3(a)所示為SPS燒結(jié)得到的TiAlB和TiAlB-A復(fù)合材料樣品的XRD圖譜. 分析表明，2種樣品均由α-Ti和TiB相構(gòu)成，說明放電等離子燒結(jié)過程中復(fù)合粉體內(nèi)部的Ti和B反生原位反應(yīng)生成了TiB增強(qiáng)相. 圖譜中還存在少量TiC相，為石墨磨具中C元素擴(kuò)散并與Ti反應(yīng)生成. TiAlB-A樣品未發(fā)現(xiàn)明顯的凹凸棒石特征峰，主要是由于凹凸棒石添加量較少，衍射強(qiáng)度未達(dá)到XRD分辨精度所致. 同時，衍射譜中未發(fā)現(xiàn)Al的衍射峰，推測Al由于含量低，僅以固溶體的形式存在于復(fù)合材料內(nèi)部. 此外，TiAlB-A樣品的特征峰明顯寬化，表明凹凸棒石礦物的加入在一定程度上細(xì)化了復(fù)合材料的晶粒組織. 為進(jìn)一步分析凹凸棒石在復(fù)合材料內(nèi)部的化學(xué)狀態(tài)，對2種樣品進(jìn)行了XPS分析[圖3(b)]，其中Si 2p可以擬合為102.1和102.6 eV 2個子峰，對應(yīng)物質(zhì)為Mg2SiO4和凹凸棒石，表明少量凹凸棒石在燒結(jié)過程中脫除羥基，形成Mg2SiO4相.

Fig. 3 XRD patterns and XPS spectra of Si on the surface of SPS samples圖3 TiAlB和TiAlB-A樣品表面的XRD和Si元素XPS分析

2.2 顯微結(jié)構(gòu)分析

圖4 所示為TiAlB和TiAlB-A復(fù)合材料金相樣品顯微組織的SEM照片. 可以看出，復(fù)合材料由淺灰色的基質(zhì)相和灰色的析出相構(gòu)成，結(jié)合EDS和XRD分析結(jié)果可推斷二者分別為α-Ti相和原位生成的TiB增強(qiáng)體. 原位增強(qiáng)體呈2種形態(tài)，分別為分散均勻的長條狀結(jié)構(gòu)和少量的團(tuán)聚體. 與TiAlB樣品相比，TiAlB-A樣品內(nèi)部長條狀增強(qiáng)體尺寸更細(xì)小且分布更均勻，部分團(tuán)聚體中央存在較大顆粒狀黑灰色相，通過典型元素面分布分析發(fā)現(xiàn)(圖5)，黑灰色相主要由B、Mg和Al元素構(gòu)成，說明其由凹凸棒石(或Mg2SiO4)和未反應(yīng)的B粉構(gòu)成. 利用圖像灰度處理方法計算得到圖4(a)和(b)中TiAlB和TiAlB-A復(fù)合材料內(nèi)部TiB增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)分別為 11.07%和13.57% . 此外，TiAlB-A樣品內(nèi)部基質(zhì)相晶粒尺寸明顯得到細(xì)化，未觀察到明顯的晶界組織.

Fig. 4 SEM micrographs and EDS spectra of composite metallographic samples圖4 復(fù)合材料金相樣品微觀形貌的SEM照片及EDS譜圖

Fig. 5 SEM micrograph and elemental distribution maps of microscopic area on the TiAlB-A sample圖5 TiAlB-A樣品微觀區(qū)域的SEM照片與元素面分布照片

2.3 顯微硬度及摩擦磨損性能分析

圖6所示為TiAlB和TiAlB-A復(fù)合材料樣品顯微硬度與納米壓痕測試結(jié)果. 可以看出， TiAlB和TiAlB-A樣品的平均顯微硬度分別為319.3 HV0.1和444.7 HV0.1，添加凹凸棒石礦物成分后，復(fù)合材料的顯微硬度提高了39.3%，α-Ti基質(zhì)相平均壓痕硬度(HIT)由5.1 GPa升高到6.7 GPa，而TiB增強(qiáng)相的平均壓痕硬度相差不大，約為22 GPa. 另外通過壓痕測試的載荷-位移曲線可知，在相同的壓入位移下，TiAlB-A基質(zhì)相所需載荷明顯高于TiAlB基質(zhì)相[圖6(b)]. 顯然，復(fù)合材料硬度的升高與凹凸棒石礦物對基質(zhì)相和原位增強(qiáng)相的細(xì)晶強(qiáng)化作用密切相關(guān).

Fig. 6 Micromechanical properties of SPS composite samples圖6 復(fù)合材料樣品的微納力學(xué)性能

圖7所示為TiAlB和TiAlB-A復(fù)合材料在不同載荷下的平均摩擦系數(shù)與磨損率對比圖. 可以看出，TiAlB樣品的摩擦系數(shù)和磨損率均隨載荷的增加而升高.而TiAlB-A樣品摩擦系數(shù)隨載荷的增大基本保持平穩(wěn)，材料磨損率隨載荷增大先降后升. 隨著載荷從30 N升高至70 N，相同載荷下TiAlB-A復(fù)合材料的摩擦系數(shù)相較于TiAlB樣品分別降低3.59%、8.14%、10.73%、10.17%和16.67%，材料的磨損率分別降低3.66%、35.29%、45.66%、59.26%和45.15%. 以上結(jié)果表明，凹凸棒石礦物成分的加入，顯著改善了原位Ti基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能.

Fig. 7 Friction coefficient and wear rate of SPS samples under different load圖7 復(fù)合材料的平均摩擦系數(shù)和磨損率隨載荷變化的關(guān)系曲線

2.4 摩擦表面分析

圖8所示為TiAlB和TiAlB-A復(fù)合材料磨痕表面微觀形貌的SEM照片. TiAlB復(fù)合材料磨損表面沿滑動摩擦方向分布大量寬而深的劃痕和犁溝，呈現(xiàn)典型的磨粒磨損特征，同時局部發(fā)生明顯的微區(qū)塑性變形.相比之下，TiAlB-A復(fù)合材料表面磨痕尺寸明顯減小，摩擦表面質(zhì)量明顯改善，未見較大尺寸的劃痕，磨損程度明顯降低，且磨損表面呈現(xiàn)多孔狀結(jié)構(gòu)特征，與既往凹凸棒石作為潤滑添加劑相關(guān)研究中的磨損表面修復(fù)層特征相近[27]. 圖9所示為磨痕微觀區(qū)域的能譜分析，表明TiAlB-A復(fù)合材料摩擦表面存在一定含量的Si元素，且C和O元素含量明顯高于TiAlB樣品.

Fig. 8 SEM micrographs of worn surfaces of different samples under the condition of 60 N圖8 載荷為60 N時不同復(fù)合材料樣品摩擦表面形貌的典型SEM照片

Fig. 9 EDS spectra of typical areas on different worn surfaces圖9 不同摩擦表面典型區(qū)域的EDS譜圖

為研究凹凸棒石礦物成分對復(fù)合材料摩擦表面的強(qiáng)化作用，分別對2種復(fù)合材料樣品在60 N載荷條件下的摩擦表面進(jìn)行了納米壓痕測試，結(jié)果如圖10所示. 可以看出，在相同的壓入位移下，TiAlB-A樣品所需載荷明顯高于TiAlB樣品[圖10(a)]，表明TiAlB-A樣品摩擦表面的平均納米硬度更高. 對比2種表面的納米硬度隨深度變化曲線[圖10(b)]，可知二者均發(fā)生了一定程度的表面硬化. TiAlB樣品摩擦表面200 nm深度范圍內(nèi)納米硬度約為6.3 GPa，超過200 nm深度后納米硬度迅速減小并逐漸區(qū)域穩(wěn)定，摩擦表面的1 000~2 000 nm深度范圍的平均納米硬度約為4.5 GPa；而TiAlB-A樣品摩擦表面350 nm深度范圍內(nèi)的納米硬度達(dá)到10 GPa，穩(wěn)定后硬度平均值約為6.5 GPa. 根據(jù)圖6和圖10(b)及圖10(c)的測試結(jié)果，分別計算了2種復(fù)合材料磨損前后的摩擦表面硬度/彈模比(H/E)和H3/E2[圖10(d)]，與TiAlB樣品相比，TiAlB-A樣品磨損后表面的H/E和H3/E2較磨損前大幅提升.

Fig. 10 Micro-mechanical properties of worn surfaces圖10 磨損表面的微觀力學(xué)性能

圖11所示為TiAlB和TiAlB-A復(fù)合材料磨擦表面典型元素的XPS圖譜，通過 XPS圖譜面積計算獲得的不同成分相對含量列于表2中. 不同摩擦表面的Ti 2p圖譜均可擬合為TiB (454.88 eV)、TiO (455.75, 460.95 eV)、Ti2O3(457.7, 462.69 eV)以及TiO2(459.3, 464.27 eV)等子峰；Fe 2p圖譜可以擬合為Fe (707.19, 720.15 eV)、Fe3O4(708.51, 722.22 eV)和Fe2O3(710.45, 723.84 eV)對應(yīng)物質(zhì)等子峰；C 1s譜峰可以擬合為TiC (282.1 eV)、鐵鉻碳化物(Fe·Cr)7C3(282.7 eV)、石墨(284.3 eV)和有機(jī)物(285.2 eV)等子峰；Al 2p譜可擬合為Al2O3(74.70 eV)子峰. 相比之下，TiAlB-A復(fù)合材料摩擦表面的Ti、Fe的氧化物和石墨含量遠(yuǎn)高于TiAlB表面. 此外，TiAlB-A樣品摩擦表面XPS圖譜中還出現(xiàn)了Mg 1s和Si 2p譜峰，其中Mg 1s譜可以擬合為Mg2SiO4(1 304.2 eV)和凹凸棒石(1 304.9 eV)這 2個子峰，另外Si 2p譜可以擬合為3個子峰，分別為Mg2SiO4(102.1 eV)、凹凸棒石(102.6 eV)和SiO2(103.1 eV).

Fig. 11 XPS spectra of typical elements on different worn surfaces圖11 不同摩擦表面主要元素的XPS圖譜

表2 基于XPS圖譜面積分析獲得的不同摩擦表面主要物質(zhì)相對含量Table 2 Relative content of materials on different worn surfaces obtained by area calculation of XPS spectra

2.5 討論

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，在SPS工藝過程中Ti-Al-B復(fù)合材料體系中Ti和B元素發(fā)生自蔓延高溫合成反應(yīng)，形成條狀原位自生TiB增強(qiáng)的Ti基復(fù)合材料，Al元素未參與原位反應(yīng)，以固溶體形式存在. 復(fù)合材料體系中凹凸棒石礦物成分的引入對原位Ti基復(fù)合材料起到了細(xì)晶強(qiáng)化作用，同時賦予材料磨損自修復(fù)功能.在提高復(fù)合材料硬度的同時，改善了摩擦學(xué)性能.

凹凸棒石是1種層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽礦物，其粉體顆粒呈纖維狀，單根纖維的直徑約為20 nm，屬于天然的一維納米材料，獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)使其具備優(yōu)異的吸附性、耐熱性、離子交換和催化性以及低密度和大比表面積等理化性質(zhì)[28]. 在Ti-Al-B-凹凸棒石復(fù)合材料原粉混合過程中，具有納米結(jié)構(gòu)的凹凸棒石納米纖維在機(jī)械力的作用下會進(jìn)一步細(xì)化，均勻分散在原料粉體內(nèi)部. 因而，在燒結(jié)過程中，分散均勻的納米凹凸棒石礦物會充當(dāng)形核質(zhì)點(diǎn)，增加復(fù)合材料α-Ti基質(zhì)相和TiB增強(qiáng)相的形核率，使復(fù)合材料內(nèi)部晶粒得到細(xì)化[29-30]，從而一方面提高了α-Ti基質(zhì)相的硬度，另一方面通過細(xì)化TiB尺寸增加了其在復(fù)合材料內(nèi)部的體積分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致復(fù)合材料的顯微硬度明顯提高. 同時，由于B顆粒表面覆蓋了具有較高吸附能力的凹凸棒石礦物，在一定程度上限制了B與Ti之間的自蔓延高溫反應(yīng)，導(dǎo)致在TiAlB-A微觀組織結(jié)構(gòu)中存在部分TiB團(tuán)聚體包裹未反應(yīng)B顆粒的特征區(qū)域.

凹凸棒石礦物作為潤滑油脂添加劑改善金屬材料摩擦學(xué)性能的研究[31-36]表明凹凸棒石礦物在摩擦過程中極易吸附并沉積到金屬表面，其減摩潤滑機(jī)制主要體現(xiàn)在 3 方面：一是亞穩(wěn)態(tài)層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物在摩擦過程中受剪切力作用，層狀結(jié)構(gòu)易發(fā)生滑移，從而起到類似固體潤滑劑的作用實(shí)現(xiàn)減摩潤滑；二是在局部高壓和微區(qū)高溫的作用下，晶體結(jié)構(gòu)被破壞，發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和脫羥基反應(yīng)，釋放出大量的高反應(yīng)活性含氧基團(tuán)和硅、鋁氧化物，從而在摩擦表面發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)或基團(tuán)重組，形成復(fù)雜的氧化物基自修復(fù)層；三是硅酸鹽晶體及活性基團(tuán)對潤滑油具有一定的催化作用，在摩擦過程中誘發(fā)潤滑油碳鏈發(fā)生部分分解，從而形成具有優(yōu)異潤滑效應(yīng)的非晶石墨.

凹凸棒石礦物作為潤滑油脂添加劑的上述作用機(jī)理對含凹凸棒石礦物鈦基復(fù)合材料同樣適用，分散在復(fù)合材料內(nèi)部的凹凸棒石礦物在摩擦熱力耦合作用下通過脫水反應(yīng)、基團(tuán)重組及摩擦化學(xué)反應(yīng)，在復(fù)合材料表面形成成分復(fù)雜的自修復(fù)層. EDS和XPS分析結(jié)果證實(shí)，原位TiB/凹凸棒石礦物雙相增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料摩擦表面形成了由鈦的氧化物(TiO2、TiO、Ti2O3)、Al2O3、SiO2、鐵的氧化物(Fe2O3、Fe3O4)、凹凸棒石礦物、石墨、鈦和鐵等構(gòu)成的自修復(fù)層. 其中，鐵元素來自對偶摩擦的GCr15鋼球磨屑，鈦和鐵的氧化物主要來自Ti和Fe元素與凹凸棒石礦物釋放含氧基團(tuán)的氧化反應(yīng)產(chǎn)物，SiO2和部分Al2O3來自凹凸棒石分解產(chǎn)物，部分Al2O3來復(fù)合材料內(nèi)部的Al元素與含氧活性基團(tuán)的摩擦化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，而石墨和有機(jī)物則來自潤滑油中的碳鏈分解產(chǎn)物.

結(jié)合納米壓痕測試結(jié)果可知，上述自修復(fù)層具有高硬度、高H/E和高H3/E2值. 其中，材料硬度與彈性模量的比值(H/E)稱為塑性指數(shù)，通常用于表征材料抵抗彈性變形的能力，與材料的耐磨性成正比[24]；而H3/E2是衡量材料抗塑性變形能力的重要指標(biāo)，用于表征材料的韌性[37-38]. 因此，含凹凸棒石礦物的鈦基復(fù)合材料在摩擦過程中形成了具有優(yōu)異力學(xué)性能的減摩自修復(fù)層，其較高的硬度、塑性和韌性以及分散的石墨和凹凸棒石礦物潤滑相，使原位TiB/凹凸棒石礦物雙相增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能.

3 結(jié)論

a. 以鈦、鋁、硼和凹凸棒石礦物粉體為原料，通過SPS工藝得到的原位TiB/凹凸棒石礦物雙相增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料組織致密，原位自生 TiB增強(qiáng)體在以α-Ti為主的基質(zhì)相內(nèi)部分散均勻.

b. 凹凸棒石礦物對TiB增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有明顯的細(xì)晶強(qiáng)化作用，相比于原位TiB/Ti復(fù)合材料，添加凹凸棒石礦物后復(fù)合材料的基質(zhì)相晶粒組織與條狀原位TiB增強(qiáng)體的尺寸得到細(xì)化，基質(zhì)相納米硬度提高約31.4%，復(fù)合材料顯微硬度提高約39.3%.

c. 摩擦過程中，分散在原位鈦基復(fù)合材料內(nèi)部的凹凸棒石礦物成分在摩擦熱力耦合作用下通過自身脫水反應(yīng)、基團(tuán)重構(gòu)以及活性含氧基團(tuán)與摩擦表面金屬間發(fā)生摩擦化學(xué)反應(yīng)，在摩擦表面形成富含鈦和鐵的氧化物，以及Al2O3、SiO2、凹凸棒石礦物和石墨等構(gòu)成的高硬度減摩自修復(fù)層，該膜層良好的韌性和塑性以及自潤滑特性，使原位TiB/凹凸棒石礦物雙相增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能.