關(guān)于鈦合金激光著色的耐磨性和耐候性探討

車榮泓 吳凡睿

摘 要：本文對(duì)TC4鈦合金激光著色樣品展開耐磨性和耐候性測(cè)試，探索鈦合金激光著色工藝對(duì)鈦合金表面性能的改善作用。從測(cè)試結(jié)果來看，激光著色后的鈦合金樣品表面摩擦系數(shù)降低了11.1%-17.8%，磨損率也有所降低，使得材料耐磨性得到了有效提高；樣品在濕熱環(huán)境中放置50h后未發(fā)生明顯顏色變化，激光著色樣品具有良好的耐候性。

關(guān)鍵詞：鈦合金激光著色；耐磨性；耐候性

中圖分類號(hào)：TG174.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）06-0088-02

1 鈦合金激光著色后的表面性能測(cè)試

1.1 表面耐磨性測(cè)試

利用激光進(jìn)行TC4鈦合金表面微型構(gòu)造加工，可以使樣品表面發(fā)生織構(gòu)化，從而使材料耐磨性得到提高[1]。為驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，對(duì)TC4鈦合金激光著色前后的摩擦系數(shù)和磨損率進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證樣品表面性能變化。

1.1.1 摩擦系數(shù)測(cè)試

在摩擦系數(shù)測(cè)試上，使用設(shè)備型號(hào)為HT-100的高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)展開試驗(yàn)。在測(cè)試過程中，需選取黃綠、紫色、綠色、黃色和藍(lán)色這5種典型TC4鈦合金激光著色試樣，并準(zhǔn)備未著色TC4鈦合金基體，共同開展滑動(dòng)干摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)比，研究激光著色后樣品的摩擦系數(shù)變化情況。

1.1.2 磨損率測(cè)試

磨損率是試樣在單位時(shí)間和單位載荷下的磨損量。在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，對(duì)試樣的質(zhì)量磨損量進(jìn)行測(cè)量，完成磨損率計(jì)算，從而更好的確認(rèn)試樣磨損性能。利用式（1），進(jìn)行磨損率I的計(jì)算。式中dM指的是質(zhì)量磨損量，dt則時(shí)磨損時(shí)間，dF指的是載荷。在實(shí)驗(yàn)前后，利用丙酮超聲波進(jìn)行試樣表面清洗，并利用風(fēng)機(jī)吹干，然后進(jìn)行試樣質(zhì)量稱量，稱量使用的天平的感量為0.1mg。針對(duì)各試樣，需分別稱重5次，然后進(jìn)行平均值求取。

I=dM/（dF×dt） （1）

1.2 表面耐候性測(cè)試

對(duì)TC4鈦合金著色試樣進(jìn)行耐候性測(cè)試，利用恒溫恒濕試驗(yàn)箱ZH-TH-80D為試樣提供測(cè)試需要的環(huán)境。將試驗(yàn)箱濕度調(diào)整為80%RH，溫度調(diào)整為120℃，然后分別在10h、20h、30h、40h、50h后將著色試樣取出與原始試樣完成顏色比對(duì)，顏色測(cè)試使用美國(guó)OceanOptics公司生產(chǎn)的規(guī)格型號(hào)為Maya-PRO的光譜儀。

2 鈦合金激光著色的耐磨性和耐候性分析

2.1 材料耐磨性分析

2.1.1 摩擦系數(shù)分析

如圖1（a），未著色基體的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)一開始，基體的摩擦系數(shù)約為0.25，此時(shí)實(shí)驗(yàn)階段可以被稱之為預(yù)磨階段。在0到8min內(nèi)，基體表面摩擦系數(shù)不斷提高，直至進(jìn)入穩(wěn)定階段，即8min后，基體表面摩擦系數(shù)維持在0.45左右。分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原理可以發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)與摩擦力大小有直接的關(guān)系，在試樣承受的載荷一定的情況下，摩擦力由粘黏分量、犁削分量和微凸變形分量構(gòu)成。在一開始摩擦?xí)r，由于未著色基體表面較為光滑，所以摩擦系數(shù)較小。此時(shí)，基體表面微凸點(diǎn)只有很小面積與摩擦副小球表面硬質(zhì)顆粒接觸，因此試樣接觸點(diǎn)上承擔(dān)較大壓力[2]。

5種著色試樣的摩擦系數(shù)變化情況如圖（b）2所示，在一開始階段，試樣與基體擁有大致相同的摩擦系數(shù)，大小均不超出0.25。進(jìn)入預(yù)磨階段，著色試樣摩擦系數(shù)快速提高，但相較于基體試樣，著色試樣的預(yù)磨時(shí)間僅在4min左右。進(jìn)入到穩(wěn)定階段，著色試樣的摩擦系數(shù)取值在0.37-0.40范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)較之基體試樣降低了11.1%-17.8%。分析該現(xiàn)象產(chǎn)生原因可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過激光著色后，鈦合金表面將產(chǎn)生著色膜層[3]。而該種膜層表面存在細(xì)微裂紋，本身不夠致密，所以在預(yù)磨階段產(chǎn)生磨屑的速度更快，試樣磨面也能盡快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

2.1.2 磨損率分析

如表1所示，為各種試樣的磨損率。從磨損率測(cè)試結(jié)果來看，在實(shí)驗(yàn)后，基體試樣質(zhì)量磨損量達(dá)到了6.81mg，黃綠、紫色、綠色、黃色和藍(lán)色這5種著色試樣的質(zhì)量磨損量分別達(dá)到了5.19、5.33、4.71、4.77、4.0mg。從測(cè)試結(jié)果來看，經(jīng)過激光著色后，鈦合金表面磨損率得到了明顯降低，可以說明材料表面耐磨性得到了提高。

2.2 材料耐候性分析

材料耐候性測(cè)試如表2所示。5種著色試樣在惡劣環(huán)境條件下保存50h后，試樣色差值并未超出4，所以基本可以忽略試樣顏色變化，由此可見經(jīng)過激光著色后的TC4鈦合金試樣擁有較好的耐候性。分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過激光著色處理后，鈦合金表面產(chǎn)生了氧化薄膜，可以防止空氣中的氧氣與基體反應(yīng)。即便在高溫高濕條件下，基體與氧的反應(yīng)也將被減慢，因此試樣表面顏色并未發(fā)生較大變化。

3 結(jié)語

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，采用激光著色方法進(jìn)行鈦合金表面處理，不僅能夠使材料表面色彩更加豐富，還能使材料的耐磨性能得到改善，同時(shí)也能使材料獲得較好的耐候性，所以能夠使材料的附價(jià)值得到提升。

參考文獻(xiàn)

[1]高鴻志，李建美，霍孟友.納秒激光金屬表面著色技術(shù)機(jī)理研究的發(fā)展與展望[J].應(yīng)用激光，2017，37（05）：752-758.

[2]劉忠民，郭亮，張慶茂.納秒激光不銹鋼著色過程中的熱作用及氧化規(guī)律[J].應(yīng)用激光，2017，37（04）：563-568.

[3]李云龍，李建美，王愛群，等.激光誘導(dǎo)Ti-6Al-4V鈦合金表面著色研究[J].激光與紅外，2017，47（06）：674-679.