鈦金屬材料干摩擦磨損特性研究

鄭超，魏世丞，梁義，蘇宏藝，王玉江，郭蕾

（陸軍裝甲兵學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072）

鈦金屬材料具有密度低、比強度高、力學性能好、耐蝕性優良等特點，被廣泛應用于航空航天、生物醫學、海工裝備等領域，但其自身在使用過程中暴露出耐磨損性能差的問題影響和制約了它在各領域的使用和發展[1-4]。當前研究主要是立足于對鈦金屬材料進行表面強化和表面改性處理后的摩擦磨損特性研究[5-9]，而對鈦金屬材料自身摩擦磨損失效機制的研究相對較少。Molinari[10-11]等人研究了Ti6Al4V合金與高速工具合金鋼的干滑動摩擦磨損機理，結果表明，在低速狀態下，Ti6Al4V合金以氧化磨損為主，而在高速狀態下以剝層磨損為主。Sahoo[12]等人的研究結果驗證了這一結論。劉勇[13-14]等人研究了 TC4鈦合金與 GCr15軸承鋼在空氣和真空中的摩擦磨損行為，結果表明，TC4鈦合金在空氣中的磨損率要明顯高于在真空條件下的磨損率。Straffelini[15]等人研究了TC4鈦合金與SAE 52100鋼在室溫條件下的干摩擦磨損行為，結果表明，TC4鈦合金在0.4～1.0 m/s的速度范圍內，發生磨損機理轉變，磨損率隨滑動速度升高而降低。

現階段對鈦金屬材料干摩擦磨損特性的研究還不夠系統、深入，缺乏較為準確可靠的磨損機制和規律。隨著鈦金屬材料的推廣普及，研究其自身在各種條件下的摩擦特性和磨損機理顯得尤為重要，該研究的開展以期為鈦金屬材料在多領域的應用和表面處理性能評價等方面提供堅實的理論數據支撐。

1 試驗部分

采用CETR UMT-3多功能摩擦磨損測試儀進行球-盤接觸方式往復摩擦磨損試驗。該試驗在大氣環境中室溫條件下進行，設置載荷為0.5，1.0，1.5 N，設置頻率為1，3，5 Hz，摩擦長度為2.5 mm，試驗時間為 30 min，確保樣品材料可以達到穩定磨損階段。試驗材料分別為TA2工業純鈦和TC4鈦合金，尺寸為10 mm×20 mm×3 mm，選用GCr15軸承鋼作對磨球，尺寸為φ4 mm。試驗前，鈦金屬材料待磨損表面使用 Akasel金剛石磨盤依次進行機械研磨，用Al2O3拋光液進行拋光處理，確保樣品表面粗糙度Ra≤0.3 μm。試驗材料和對磨球均用乙醇超聲波清洗干凈并烘干備用。

采用Micromet-6030型自動顯微硬度計對試驗選用TA2工業純鈦和TC4鈦合金表面進行硬度值測量，測量結果見表 1。TA2工業純鈦的硬度值范圍為240 HV～260 HV，而 TC4鈦合金的硬度值范圍為350 HV～370 HV，樣品表面硬度比前者高出約110 HV。采用Nova Nano SEM 650場發射掃描電鏡（SEM）并配置能譜儀（EDS）對磨損表面和磨屑進行微觀形貌觀察和元素成分計量分析。采用Olympus Lext OLS3000-R型激光共聚焦顯微鏡測量磨損表面的磨損體積和磨損體積輪廓，并觀察磨損表面的三維形貌。

表1 TA2工業純鈦與TC4鈦合金的顯微硬度值

2 結果與討論

2.1 頻率和載荷對摩擦特性的影響

TC4鈦合金在相同載荷不同頻率條件下的摩擦系數曲線如圖1所示，該組試驗設定載荷為0.5 N，摩擦系數曲線由試驗設備自動采集生成。根據曲線變化規律可以獲知，在空氣介質中干摩擦時，頻率對TC4鈦合金的摩擦系數影響較為顯著，在一定范圍內，相同載荷條件下，摩擦系數隨頻率加快而增大，且數據波動性隨之增強，數據躍變幅度增大。如圖2所示，摩擦系數均值隨著頻率的加快同樣呈現出增大趨勢。出現這種現象的原因是加載頻率越快，摩擦表面的瞬時閃現溫度越高，導致 TC4鈦合金表面致密的鈍化膜發生破裂脫落，兩個摩擦表面之間發生粘著磨損的趨向增大，磨擦表面層的組織結構及其性能發生變化，致使摩擦系數值升高，數據波動幅度增大。

圖1 TC4鈦合金在不同頻率條件下的摩擦系數曲線

圖2 TC4鈦合金隨頻率及載荷變化的摩擦系數均值

圖3為TC4鈦合金在相同載荷不同頻率條件下的磨損體積柱狀圖，該組實驗設定載荷為0.5 N，磨損前后試驗材料用乙醇超聲波清洗干凈，烘干稱量，磨損體積經由激光共聚焦顯微鏡測量得出，按照公式ΔV=Δm/ρ（ρ=4.5 g/cm3）進行檢驗修正。由圖2可知，在相同載荷條件下，隨著頻率的加快，TC4鈦合金的磨損體積明顯增大，頻率與磨損體積之間基本上呈線性增長關系。由此可知，頻率對材料耐磨損性能具有較大影響，這種趨勢符合一般的材料磨損定律。

圖3 TC4鈦合金在不同頻率條件下的磨損體積

TC4鈦合金在相同頻率不同載荷條件下的摩擦系數曲線如圖4所示，該組試驗設定頻率為3 Hz。由曲線變化規律可知，在空氣介質中干摩擦時，載荷對摩擦系數的變化具有輕微影響。摩擦初期，摩擦系數受載荷的影響較小，摩擦系數值相對穩定，甚至存在下降交匯趨勢。這是因為隨著載荷的增加，促進了兩個摩擦表面之間的磨合過程，兩個摩擦表面的微凸體被磨平，摩擦表面的表面粗糙度下降，而且 TC4鈦合金表面致密的鈍化膜尚未破裂，在一定程度上具有良好的潤滑作用。摩擦后期，摩擦表面剪切力增大，摩擦阻力隨之增大，鈍化膜難以承受增大的載荷，發生破裂，摩擦系數明顯上升。

圖5為TC4鈦合金在不同載荷條件下的磨損體

圖4 TC4鈦合金在不同載荷條件下的摩擦系數曲線

積柱狀圖，該組實驗設定載荷為 3 Hz。由圖 5可知，施加載荷越大，TC4鈦合金的體積損失量越大，磨損體積基本上呈線性增長趨勢，材料流失量增大。從圖6中可以看出，在3種試驗條件下，磨損體積均隨著載荷和頻率的增加而增大。

圖5 TC4鈦合金在不同載荷條件下的磨損體積

圖6 TC4鈦合金隨載荷和頻率變化的的磨損體積

2.2 頻率和載荷對磨損特性的影響

圖7為TC4鈦合金在相同頻率不同載荷條件下的磨損體積輪廓圖，該組試驗設定頻率為3 Hz。在3 Hz，1和1.5 N條件下的磨痕三維形貌如圖8所示。通過對比穿過磨痕中心處的輪廓圖和磨痕三維形貌

圖7 TC4鈦合金在不同載荷條件下的磨損體積輪廓

圖8 TC4鈦合金在3 Hz、不同載荷條件下的磨痕三維形貌

圖，可以獲知 TC4鈦合金在空氣介質中的磨痕呈現為圓凹坑形輪廓。磨痕邊緣有明顯的塑性擠出帶變形，隨著載荷的增加，磨痕輪廓深度加深，寬度增大。該結果表明，隨著載荷的增大，磨損體積隨之增大，此結論與前述一致。同時，相對比較規則的“結果形”磨痕也說明了磨屑在磨損過程中的特殊作用。

2.3 摩擦磨損特性對比

TA2工業純鈦與 TC4鈦合金在空氣介質中相同試驗條件下進行干摩擦時的磨損體積輪廓對比如圖9所示，磨損體積對比如圖10所示，圖11為TA2工業純鈦3 Hz，1 N條件下的磨痕三維形貌。由圖9可得，通過對比兩種材料在相同試驗參數下進行干摩擦時的磨損體積輪廓，可以獲知，TA2工業純鈦的磨損體積輪廓要更寬更深，通過對比圖11與圖8a可以得到相同結論。由圖 10可得，相同試驗條件下，TA2工業純鈦的磨損體積約為TC4鈦合金的2.5倍，TA2工業純鈦的耐磨損性能相比 TC4鈦合金要更差。分析造成這種情況的原因，一方面是由于 TA2工業純鈦表面硬度較低，與TC4鈦合金相差約110HV左右，較低的表面硬度導致其耐磨損性能大幅下降；另一方面，TA2工業純鈦在磨損過程中產生的氧化物很容易剝落和碎化，發生嚴重的剝落磨損。

圖9 TA2工業純鈦與TC4鈦合金磨損體積輪廓對比

圖10 TA2工業純鈦與TC4鈦合金磨損體積對比

圖11 TA2工業純鈦3 Hz,1 N條件下的磨痕三維形貌圖

2.4 空氣條件干摩擦磨損機理分析

圖12為TA2工業純鈦在空氣條件下干摩擦磨損之后的磨痕SEM形貌，圖13為TA2工業純鈦磨屑SEM形貌。由圖12可知，TA2工業純鈦在空氣介質中干摩擦時磨損現象非常嚴重，磨損表面存在明顯的剝層脫落特征，摩擦表面層出現裂紋，發生碎化，并伴有顯著的塑性變形和磨粒磨損跡象，分析其磨損機制主要為剝層磨損和磨粒磨損。由于 TA2工業純鈦材質較軟，GCr15對磨球在磨損過程中較易嵌入基體，發生連續的塑性剪切，如圖13所示，產生的磨屑主要為細小的顆粒狀磨屑。對圖12中的摩擦層碎化區域進行能譜分析，結果見表2。其中O元素含量較高，其質量分數約為19.62%，僅次于Ti元素。此外，Fe元素含量相對較高，以此可以判斷在磨損過程中發生的元素遷移和表面氧化現象。

圖12 TA2工業純鈦磨痕SEM形貌

圖14為TC4鈦合金在空氣條件下干摩擦磨損之后的磨痕表面SEM形貌。在1 Hz，0.5 N條件下，磨損表面呈現為塑性變形和對磨球擠壓刮擦所形成的犁溝痕跡，摩擦表面層不存在明顯的剝落坑，分析其磨損機制主要為磨粒磨損和氧化磨損。隨著載荷的升高和頻率的加快，在3 Hz，1.5 N條件下，磨損表面出現裂紋和剝層撕裂，摩擦層出現碎化剝落現象，磨損機制主要為粘著磨損和剝落磨損。由于 TC4鈦合金表面硬度較低，屬于硬質點在軟基體上摩擦，在GCr15對磨球的作用下，隨著頻率和載荷的增加，摩擦速度增加，塑性剪切作用增強，摩擦表面的磨損程度顯著提高，同時產生大量的摩擦熱，磨損表面存在明顯的氧化現象和粘著磨損跡象。氧化皮粘著在磨損表面，在循環應力作用下，氧化皮產生裂紋進而碾碎脫落成磨屑，此時兩體摩擦轉變為三體摩擦，被氧化后的磨屑硬度提高，起到磨粒的作用，經過長時間摩擦后，在磨痕表面留下犁溝，出現磨粒磨損痕跡。

圖13 TA2工業純鈦磨屑SEM形貌

表2 TA2工業純鈦磨痕表面元素成分

圖15為TC4鈦合金磨屑SEM形貌。磨屑粒徑大小不一，除大部分微粒狀磨屑外，還有一部分塊狀、顆粒狀磨屑存在。這主要是因為磨屑從磨損表面脫落后，在循環應力的作用下，被碾碎脫落成磨粒，這一動態過程在摩擦磨損發生時不斷地進行，進而形成明顯的磨粒磨損痕跡，這一結論與前述一致。

圖14 TC4鈦合金磨痕SEM形貌

圖15 TC4鈦合金磨屑SEM形貌

表3為TC4鈦合金在空氣介質中干摩擦磨損之后的磨痕區域元素成分分析，選擇區域為圖14中的黑色光滑區域。由表3可知，磨屑中出現了對磨球中才有的Fe元素，還有大量的O元素，氧的質量分數約為 23.26%。根據原子百分數，推測該黑色光滑區域即為摩擦表面氧化層。這充分說明了在摩擦磨損過程中摩擦副之間的材料轉移和表面元素的氧化，為粘著現象和氧化磨損提供了可靠依據。

表3 TC4鈦合金磨痕表面元素成分

3 結論

1）頻率對鈦金屬材料的摩擦磨損特性和耐磨損性能影響較大，相同載荷條件下，頻率加快，摩擦系數增大，數據波動性增強，磨損體積隨之增大。載荷主要是影響鈦金屬材料的磨損體積輪廓和材料流失量。

2）鈦金屬材料的磨痕呈現出規則的“U”型，隨著載荷和頻率的增大，穿過磨痕中心處的磨損體積輪廓加深變寬。

3）TC4鈦合金比TA2工業純鈦的表面硬度值高約111.4 HV，相同試驗條件下進行干摩擦磨損試驗，TA2工業純鈦的磨損體積約為TC4鈦合金的2.5倍，TA2工業純鈦的耐磨損性能要更差。

4）TA2工業純鈦的干摩擦磨損失效機制主要是剝層磨損和磨粒磨損；TC4鈦合金在低頻低載條件下的失效機制主要是磨粒磨損和氧化磨損，隨著載荷和頻率的增大，在瞬時閃現溫度和載荷的作用下，其失效機制主要為粘著磨損和剝層磨損。

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