鈦合金材料防微動(dòng)磨損涂層性能研究

于 越，劉紅斌

（1.德陽廣大東汽新材料有限公司,四川 德陽 618000；2.東方汽輪機(jī)有限公司,四川 德陽 618000）

與傳統(tǒng)葉片材料12%Cr 鋼相比，鈦合金因具有重量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)良特性，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、機(jī)械、化工以及能源等領(lǐng)域[1]。但是鈦合金材料因其表面硬度低、耐磨性差等因素，使用于葉片的鈦合金接觸面工作部位發(fā)生微動(dòng)磨損，導(dǎo)致葉片間間隙增大，葉片長(zhǎng)時(shí)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使磨損加劇，嚴(yán)重者將導(dǎo)致葉片斷裂等重大安全事故的發(fā)生，迫切需要提高鈦合金材料表面防微動(dòng)磨損性能。提升鈦合金材料表面微動(dòng)耐磨性能常用的防護(hù)方法有離子鍍TiN、滲氮、熱噴涂技術(shù)等。離子鍍技術(shù)制備涂層效率和昂貴的設(shè)備費(fèi)用增加了投入成本，限制了其應(yīng)用范圍。氣體滲氮技術(shù)因較高的工藝溫度會(huì)導(dǎo)致滲層氧化，組織疏松[2]。熱噴涂技術(shù)中的超音速火焰噴涂工藝因沉積效率高、不受零件材料限制、對(duì)基體無熱影響等優(yōu)勢(shì)，可在零件表面制備致密度高、結(jié)合強(qiáng)度高的高耐磨性金屬陶瓷涂層[3]，已得到廣泛應(yīng)用。超音速火焰噴涂工藝是利用丙烷等碳?xì)湎等細(xì)馀c高壓氧氣或空氣在特殊的燃燒室、噴嘴中燃燒產(chǎn)生高溫、高速焰流，將噴涂粉末粒子加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并沉積在工件表面以獲得結(jié)合強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)致密的涂層，已廣泛在航空航天、能源等工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用。超音速火焰前處理及噴涂耐磨涂層在鈦合金微動(dòng)疲勞研究方面的報(bào)道較多[4]，在鈦合金防微動(dòng)磨損方面的應(yīng)用鮮見報(bào)道。本文采用超音速火焰噴涂工藝在TC4 材料表面制備碳化鉻系防微動(dòng)磨損涂層，研究了TC4 鈦合金防護(hù)涂層的微動(dòng)磨損性能，分析了磨損機(jī)制，為核電汽輪機(jī)葉片可靠性設(shè)計(jì)和服役防護(hù)提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)采用超音速火焰噴涂工藝在TC4 鈦合金基體材料摩擦部位（主摩擦副試樣規(guī)格：10 mm×10 mm×20 mm）表面制備碳化鉻系耐磨涂層。噴涂粉末的成分及特性見表1，制備涂層的摩擦部位見表2。噴涂前對(duì)基體進(jìn)行除油處理，然后進(jìn)行噴砂活化處理。采用進(jìn)口超音速火焰噴涂系統(tǒng)制備涂層，對(duì)磨副基體材料采用TC4。采用自制微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同對(duì)磨副條件下的微動(dòng)磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)條件見表2。采用自制微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試摩擦因數(shù)，超景深三維輪廓儀測(cè)試磨損量，并對(duì)比不同對(duì)磨副的微動(dòng)磨損性能差異。采用SEM、EDS、XRD 方法觀察微動(dòng)磨損表面形貌，分析磨損表面成分及物相組成。

表1 噴涂粉末成分及特性

表2 微動(dòng)磨損試驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

圖1 為不同對(duì)磨副分別在30、60、90 μm 位移副值下循環(huán)105次的摩擦因數(shù)曲線。從圖1 可以看出，3 類對(duì)磨副的磨損過程中的摩擦因數(shù)均經(jīng)過了起始–上升–穩(wěn)定 3 個(gè)階段，且在穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)均隨位移幅值的增加而增加。在位移副值分別為30、60、90 μm 時(shí)，TC4 鈦合金和涂層1 作為對(duì)磨副時(shí)的摩擦因數(shù)分別穩(wěn)定于0.24、0.4、0.62，TC4 鈦合金和涂層2 作為對(duì)磨副時(shí)的摩擦因數(shù)分別穩(wěn)定于0.16、0.41、0.62，兩種涂層作為對(duì)磨副時(shí)的摩擦因數(shù)穩(wěn)定于0.16、0.31、0.42。在位移幅值分別為60 μm 和90 μm 時(shí)，對(duì)磨副為雙面涂層的摩擦因數(shù)是對(duì)磨副為單面涂層（涂層2）摩擦因數(shù)的75%和67%。

圖1 不同對(duì)磨副的摩擦因數(shù)

2.2 磨損量

圖2、圖3 是不同對(duì)磨副分別在30、60、90 μm位移副值下循環(huán)105次的磨損面積和磨損體積對(duì)比柱狀圖。從圖2、3 可以看出：隨著磨痕面積增大，磨痕體積增加的變化趨勢(shì)相同；隨位移副值的增加，磨損面積和磨損體積均增大；3 種不同對(duì)磨副磨損面積和磨損體積的量均為涂層1/涂層2＜TC4/涂層2＜TC4/涂層1。結(jié)合測(cè)試的摩擦因數(shù)值差異，摩擦因數(shù)越低的對(duì)磨副磨損量越低，耐磨性能越好。在TC4 基體材料增加涂層1，較單面涂層（涂層2）對(duì)磨副在不同位移副值條件下可以降低磨損量2.5%～51.5%。TC4/涂層1 和TC4/涂層2 對(duì)磨副磨損量相差5～10 倍。對(duì)比涂層1 和涂層2 的成分差異，涂層1 較涂層2 減少了10%的Cr3C2硬質(zhì)相，提高了表面硬度[5]，涂層2 可顯著降低該對(duì)磨副的磨損量，提升了微動(dòng)耐磨性能。

圖2 不同對(duì)磨副的磨損面積

圖3 不同對(duì)磨副的磨損體積

2.3 磨損表面形貌及EDS 成分分析

2.3.1 磨損表面形貌

圖4—6 為不同對(duì)磨副分別在30、60、90 μm位移副值下循環(huán)105次的磨損表面形貌。從圖4可以看出：對(duì)磨副為涂層1/涂層2，當(dāng)位移幅值為30 μm 時(shí)，磨痕表面較為平整；隨著位移幅值增加至60 μm 和90 μm 時(shí)，磨痕區(qū)域可見少量材料剝落，呈現(xiàn)出深色剝落坑，同時(shí)有材料塑性變形與磨屑的堆積，此時(shí)磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和分層剝落，在90 μm 時(shí)深色剝落坑面積增加，且磨屑堆積層增多，此時(shí)磨損機(jī)制主要為磨粒磨損和分層剝落。從圖5 可以看出，對(duì)磨副為TC4/涂層1 時(shí)，磨痕區(qū)域可見少許犁溝與磨屑堆積，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。從圖6 可以看出，對(duì)磨副為TC4/涂層2 時(shí)，磨痕區(qū)域出現(xiàn)材料塑性變形與磨屑的堆積，磨損機(jī)制主要為黏著磨損，填補(bǔ)了磨削溝槽，使磨損面積和體積較對(duì)磨副為TC4/涂層1 顯著降低。

圖4 涂層1/涂層2 對(duì)磨副磨損表面形貌（1 500×）

圖5 TC4/涂層1 對(duì)磨副磨損表面形貌（1 500×）

圖6 TC4/涂層2 對(duì)磨副磨損表面形貌（1500 ×）

2.3.2 微區(qū)成分分析

表3 是不同對(duì)磨副分別在30、60、90 μm 位移副值下循環(huán)105次的磨損表面微區(qū)EDS 成分對(duì)比。從表3 可以看出：對(duì)磨副為涂層1/涂層2 時(shí)，隨著位移幅值的增大，氧含量略有上升；對(duì)磨副為TC4/涂層1 時(shí)，隨著位移幅值的增大，氧含量明顯增加；對(duì)磨副為TC4/涂層2 時(shí)，隨著位移幅值的增大，氧含量略有上升。結(jié)合磨損表面形貌觀察發(fā)現(xiàn)：對(duì)磨副為涂層1/涂層2 時(shí)，在磨痕邊緣有較為明顯的塑變及材料堆疊，不同位移幅值下主要磨損方式為磨粒磨損和輕微氧化磨損[6]；對(duì)磨副為TC4/涂層1 時(shí)，不同位移副值在氧化磨損作用下，涂層氧化后消耗了NiCr–Cr3C2兩相結(jié)構(gòu)中的NiCr 相，Cr3C2硬質(zhì)相與基體附著力減弱，使涂層產(chǎn)生溝犁剝落，主要磨損方式為磨粒磨損和氧化磨損；對(duì)磨副為涂層1/涂層2 時(shí)，其中90 μm 位移副值條件下有較為明顯的塑性變形及材料黏著，磨損方式主要為黏著磨損[7?8]和輕微氧化磨損[9]，且隨著位移幅值增大，在磨損過程中，磨屑逐漸增多，磨痕區(qū)域氧化程度上升。

表3 成分對(duì)比

2.4 XRD 分析

圖7 是不同對(duì)磨副分別在30、60、90 μm 位移副值下循環(huán)105次的磨損區(qū)域表面XRD 衍射圖譜。從圖7 可以看出，3 種對(duì)磨副試驗(yàn)條件下，物相主要由Cr3C2、Cr7C3、NiCr、Cr、C 組成，且隨位移副值的增加，磨損區(qū)域表面并未發(fā)生相變，無新增物相產(chǎn)生。結(jié)合上述EDS 元素含量分析，雖然隨著位移幅值增大，氧含量有不同程度的上升，但在XRD 中并未觀察到氧化相，說明僅在對(duì)磨副表面產(chǎn)生了極少量的氧化物，未見Ti、Al 元素轉(zhuǎn)移。

圖7 不同對(duì)磨副磨損后表面XRD 圖譜

2.5 磨損與防護(hù)機(jī)制分析

對(duì)3 種對(duì)磨副的摩擦因數(shù)、磨損量等微動(dòng)磨損性能進(jìn)行綜合對(duì)比分析，起始階段的接觸區(qū)域表面在磨屑切削作用下，表面粗糙度增加，導(dǎo)致摩擦因數(shù)短暫波動(dòng)后，隨時(shí)間的推移進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。該階段主要是上試樣–磨屑的生成與排出–下試樣三體之間（簡(jiǎn)稱：三體磨削過程）保持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。不同的摩擦配副，磨損主導(dǎo)機(jī)理不同，在法向載荷與切向載荷聯(lián)合循環(huán)作用下加劇了材料磨損。對(duì)于單面涂層摩擦副，主要磨損機(jī)制為磨粒磨損、輕微氧化磨損、黏著磨損。磨損過程中產(chǎn)生的局部高溫，使活潑的Ni、Cr 元素與O 元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氧化磨損。隨著磨損進(jìn)程加劇，黏結(jié)相逐漸消耗，Cr3C2硬質(zhì)相與粘結(jié)相逐漸分離，形成的中間體夾在對(duì)磨副之間，于是產(chǎn)生了磨粒磨損。如此周而復(fù)始地保持氧化磨損、磨粒磨損的復(fù)合磨損，涂層逐漸失效延緩了TC4 磨損過程，對(duì)TC4 基體產(chǎn)生保護(hù)作用。同時(shí)，由于涂層1 的硬質(zhì)相含量較小，涂層摩擦因數(shù)和顯微硬度較低，涂層1 的耐磨性能較低，導(dǎo)致對(duì)磨副為TC4/涂層2 的磨損面積和體積較對(duì)磨副為TC4/涂層1 顯著降低。雙面涂層在TC4 基體對(duì)磨副表面制備了硬質(zhì)耐磨涂層，摩擦因數(shù)和磨損率進(jìn)一步降低，耐磨性能得到加強(qiáng)，雙面涂層表現(xiàn)出的磨損機(jī)制為磨粒磨損和輕微氧化磨損，雙面涂層摩擦副形式可以有效提升TC4 材料的表面耐微動(dòng)磨損性能。

3 結(jié)論

1）不同摩擦副及位移副值條件下的摩擦因數(shù)均在起始階段迅速增加，隨后摩擦因數(shù)保持穩(wěn)定。

2）在位移幅值分別為60 μm 和90 μm 時(shí)，對(duì)磨副為雙面涂層的摩擦因數(shù)是對(duì)磨副為單面涂層（涂層2）摩擦因數(shù)的75%和67%。

3）不同對(duì)磨副條件下，TC4 鈦合金微動(dòng)磨損機(jī)制是以黏著磨損、磨粒磨損、氧化磨損為主的復(fù)合磨損，磨損過程中無TC4 材料轉(zhuǎn)移。

4）TC4 鈦合金表面增加防護(hù)涂層可以有效提升其表面耐微動(dòng)磨損性能。

5）如果實(shí)際使用工況的對(duì)磨副均為TC4 材料，建議雙面對(duì)磨副均制備涂層加以防護(hù)。