TC4鈦合金表面釬焊WC耐磨層的微動磨損性能研究

張 軍，蔡曉龍，高禩洋 ，張 甲，王 廷

1.中國航發動力股份有限公司，陜西 西安 710015

2.中國科學院金屬研究所 師昌緒先進材料創新中心，遼寧 沈陽 110016

3.哈爾濱工業大學（威海） 先進焊接與連接國家重點實驗室，山東 威海 264209

0 前言

鈦及鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕性好等突出優點，在國防工業和民用工業中，尤其在航空領域有著廣泛的應用［1］，已應用于航空發動機壓氣機和風扇葉片。但是鈦合金摩擦磨損性能差，主要表現有：①塑性剪切抗力較低；②表面加工硬化能力差；③摩擦磨損過程中產生的磨屑很容易碎化和去除，對鈦合金基材表面保護作用微弱［2］。鈦合金的摩擦磨損形式主要有：黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、氧化磨損和微動磨損［3-4］。根據鈦合金構件服役工況不同，其主要磨損形式也不同。隨著航空發動機運轉速度越來越快，微動磨損成為零部件主要失效形式之一，尤其是鈦合金葉片的葉冠及榫槽部位微動磨損現象嚴重。不同于常規的磨損，微動磨損是指在交變載荷作用下，兩接觸表面間發生振幅極小的相對運動［5-7］，一般為微米量級，這會導致構件間發生松動或破壞，甚至會萌生裂紋并發展成為結構疲勞的裂紋源，嚴重影響構件的疲勞壽命［8］，造成極大的危害。由于鈦合金材料本身耐磨性差，往往不能滿足工作要求，為了滿足鈦合金葉片的工作條件、提高可靠性和延長使用壽命，通常需要在鈦合金葉片的相應部位制備抗磨、抗沖擊的耐磨層［8-9］。典型的耐磨層制備方法包括離子注入、化學鍍、等離子噴涂、電子束物理氣相沉積、超音速火焰噴涂、冷噴涂、激光熔覆、表面氧化技術等［10-11］。針對風扇鈦合金葉片的結構特點通常采用感應釬焊耐磨層制備工藝［12］，但目前對于感應釬焊制備的耐磨層的摩擦磨損行為，特別是微動磨損性能缺乏系統的研究與評價，限制了耐磨層在苛刻工況條件下的進一步應用。

本文采用鈦基釬料，通過感應釬焊工藝，在常用葉片材料TC4鈦合金表面制備了碳化鎢（WC）耐磨層。通過模擬工況的微動磨損試驗，研究了載荷、位移、頻率等工況參數對WC耐磨層的摩擦系數、磨損體積的演變規律，研究結果對于耐磨層的工程化及工程應用具有一定的參考價值。

1 試驗材料及方法

試驗基材為TC4鈦合金，其化學成分如表1所示，合金組織為典型的等軸α+β雙相組織結構。試驗過程中，首先將TC4待焊面用合金銼去除表面氧化物，將B-Ti57CuZrNi-S粉狀釬料（化學成分見表2）與鑄造WC硬質合金粉末按照質量分數比50%:50%均勻混合，粉狀釬料粒度為-150目，WC硬質合金粉末粒度為-60～+80目，再用粘接劑將混合粉末調制成膏狀，置于試樣頂部，在充氬高頻感應釬焊設備中進行釬焊，釬焊溫度960～975 ℃。微動磨損試樣耐磨層尺寸13.0 mm×4.1 mm，厚度0.3～0.4 mm。微動磨損試樣實物如圖1所示。

表1 TC4合金化學成分（原子百分比，%）Table 1 Chemical composition of TC4 alloy （at.%）

表2 釬料化學成分（原子百分比，%）Table 2 Chemical composition of brazing filler metal （at.%）

圖1 WC耐磨層樣品的實物照片Fig.1 Picture of WC wear-resistant layer sample

微動磨損試驗示意如圖2所示。待測樣品為下試樣，通過夾具水平固定；上試樣（氮化硅陶瓷球，直徑4 mm）至于水平位置O處；當對上試樣施加的法向載荷達到預設值并保持5 s后，啟動電機帶動上試樣在O處以恒定的載荷、位移和頻率振動。試驗參數為：法向載荷20 N、50 N、100 N，位移幅值20 μm、50 μm、100 μm，頻率40 Hz、100 Hz，試驗時間均為1 h。微動磨損試驗在RTEC MFT-3000型腐蝕微動磨損試驗機上進行，試驗過程中切向力和法向力由上試樣夾具后的雙向力傳感器直接測得，二者比值為摩擦系數；試驗后，通過UP-WLI型白光干涉儀對待測樣品（耐磨層）的磨損體積進行測量。用Quanta600掃描電子顯微鏡對磨痕進行微觀分析，用電子探針（EPMA-1600）測定磨斑區域的元素。

圖2 微動磨損試驗示意Fig.2 Schematic diagram of fretting wear test

2 試驗結果及分析

2.1 涂層形貌及硬度

對釬焊試樣進行了縱向解剖，其顯微組織如圖3所示，耐磨層組織均勻致密，WC硬質合金顆粒被牢固地包裹在鈦基釬料中，耐磨層與TC4鈦合金基體形成了良好的冶金結合。耐磨層中的WC顆粒和鈦基釬料的硬度差異顯著，顯微硬度分別為1 820 HV和456 HV。

圖3 耐磨層形貌Fig.3 Morphology of the wear-resistant coating

2.2 摩擦系數

圖4～圖6分別為不同載荷、頻率和位移條件下耐磨層的平均摩擦系數。由圖4可知，小載荷（20 N）條件下，頻率40 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時平均摩擦系數分別為0.64、0.64、0.62；頻率100 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時平均摩擦系數分別為0.69、0.68、0.62，可見小載荷條件下頻率和位移對耐磨層平均摩擦系數的影響不大。

圖4 載荷為20 N條件下耐磨層的平均摩擦系數隨位移和頻率的變化Fig.4 Change of average friction coefficient of wear-resistant layer with displacement and frequency under 20 N load

圖5 載荷為50 N條件下耐磨層的平均摩擦系數隨位移和頻率的變化Fig.5 Change of average friction coefficient of wear-resistant layer with displacement and frequency under 50 N load

圖6 載荷100 N條件下耐磨層的平均摩擦系數隨位移和頻率的變化Fig.6 Change of average friction coefficient of wear-resistant layer with displacement and frequency under 100 N load

由圖5可知，中載荷（50 N）條件下，頻率40 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時平均摩擦系數分別為0.40、0.65、0.54；頻率 100 Hz，位移 20 μm、50 μm、100 μm時平均摩擦系數分別為0.42、0.64、0.58。由圖6可知，高載荷（100 N）條件下，頻率40 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時平均摩擦系數分別為0.21、0.54、0.53，頻率100 Hz，位移20 μm、50 μm、100 μm時平均摩擦系數分別為0.23、0.56、0.58。可以看出，中高載荷時頻率變化對耐磨層平均摩擦系數的影響不大，位移變化則對耐磨層平均摩擦系數的影響較明顯。載荷50 N和100 N條件下，位移為20 μm的耐磨層具有較小的平均摩擦系數，并且隨載荷的增大而減小，這主要是因為在小位移條件下隨著載荷的變大，接觸應力增加，將更多的表面材料剪斷形成更多的磨屑，磨屑難以轉移和排出，使得兩摩擦副接觸的機會降低，故摩擦系數較低。當位移增加到50 μm時，兩摩擦副相對滑動增加導致平均摩擦系數增大，當位移進一步增加到100 μm時耐磨層平均摩擦系數略有下降（載荷50 N）或趨于穩定（載荷100 N）。載荷的變化對耐磨層平均摩擦系數的影響不大，這與不同載荷下磨損過程中磨屑的生成速度、轉移排出速度有關，其具體機理尚需進一步深入研究。

2.3 磨損體積

圖7～圖9分別為在20 N、50 N和100 N不同載荷條件下，耐磨層的磨損體積隨位移和頻率的變化曲線，可以看出位移幅值的變化對磨損體積具有明顯影響。周仲榮等［13］將微動分為3個不同運行區域，分別是部分滑移區、混合區和滑移區，當載荷和頻率一定而位移幅值較小時，微動處于部分滑移區，接觸體之間相對滑移很小，幾乎為彈性運動，耐磨層磨損量極低，幾乎沒有磨損。而隨著位移幅值的增加，滑移的趨勢增大，磨損量逐漸增加。因此，在載荷20 N和50 N條件下，隨著位移從20 μm增加到100 μm，摩擦副的滑移趨勢亦不斷增大，耐磨層磨損體積逐漸增加。

圖7 載荷20 N時耐磨層的磨損體積隨位移和頻率的變化Fig.7 Change of wear volume of wear resistant layer with displace‐ment and frequency under 20 N load

圖8 載荷50 N時耐磨層的磨損體積隨位移和頻率的變化Fig.8 Change of wear volume of wear resistant layer with displace‐ment and frequency under 50 N load

圖9 載荷100 N時耐磨層的磨損體積隨位移和頻率的變化Fig.9 Change of wear volume of wear resistant layer with displacement and frequency under 100 N load

然而對于100 N條件下，由于載荷相對20 N、50 N明顯增大，導致在位移20 μm和50 μm時，滑移趨勢增加不明顯，涂層的磨損體積無顯著增加；而當位移進一步增大時（100 μm），滑移趨勢才有所增加，涂層磨損體積出現明顯增加。

2.4 磨痕形貌

耐磨層是鈦基釬料和WC顆粒的復合層，鈦基釬料為黏結相，WC顆粒為硬質相，相對于硬質相WC，黏結相鈦基釬料硬度較低。在不同微動磨損試驗條件下耐磨層的磨損體積不同，因此磨痕的大小有很大差異，但是磨痕的形狀相近均為圓形或近圓形。50 μm、100 Hz條件下耐磨層的磨痕具有典型形貌，當載荷為20 N時耐磨層的磨痕形貌照片如圖10所示。

圖10 耐磨層的磨痕表面形貌（20 N、50 μm、100 Hz）Fig.10 Surface morphology of wear scar of wear-resistant layer（20 N，50 μm，100 Hz）

圖10中標記A處經能譜分析為WC顆粒，標記B處為磨屑，經探針進行成分分析結果如表3所示，可見磨屑為鈦、銅、鎢、硅等混合氧化物，這是因為在往復運動過程中耐磨層溫度升高發生氧化，在該條件下進行微動磨損時，鈦基釬料、WC和對偶件氮化硅均剝落形成磨屑，這些磨屑及其氧化物對耐磨層表面具有一定的減磨作用。該條件下耐磨層磨損機理主要為磨粒磨損和黏著磨損。

表3 耐磨層的磨痕能譜（原子分數，%）Table 3 Energy spectrum of wear scar of wear-resistant layer （at.%）

當載荷增大至50 N時，在50 μm、100 Hz條件下耐磨層的磨痕表面形貌照片如圖11所示。由圖可見，磨損加重，仍然以磨粒磨損和粘著磨損為主要磨損機理，并伴隨著剝落現象。當載荷繼續增大至100 N時，相同條件下（見圖12）磨損反而降低，這主要是由于載荷增大，形成的氧化物磨粒不容易排出，從而作為第三體減少了摩擦副間的磨損。在該條件下WC顆粒有少量裂紋出現。此外，相同位移、頻率條件下，載荷越大，摩擦副越易于處于部分滑移區，磨損量也會相應的減少。

圖11 耐磨層的磨痕表面形貌（50 N、50 μm、100 Hz）Fig.11 Surface morphology of wear scar of wear-resistant layer（50 N，50 μm，100 Hz）

圖12 耐磨層的磨痕表面形貌（100 N、50 μm、100 Hz）Fig.12 Surface morphology of wear scar of wear-resistant layer（100 N，50 μm，100 Hz）

3 結論

通過微動磨損試驗，對在TC4鈦合金表面感應釬焊WC耐磨層的摩擦系數、磨損體積和磨痕形貌特征進行了表征與分析，主要結論如下：

（1）小載荷（20 N）條件下，頻率和位移對耐磨層平均摩擦系數的影響均不大；中載荷（50 N）和高載荷（100 N）條件下，頻率的變化對耐磨層平均摩擦系數的影響不大，然而位移的變化對耐磨層平均摩擦系數的影響較大。

（2）當位移為20 μm時，耐磨層的平均摩擦系數隨載荷的增大而減小，但是當位移為50 μm、100 μm時，載荷的變化對耐磨層平均摩擦系數的影響卻不大。

（3）位移幅值的變化對耐磨層的磨損體積具有重要影響，當載荷和頻率一定時，位移幅值較小（20 μm）時，耐磨層磨損量極低，隨著位移幅值的增加磨損量增大。耐磨層的磨損形式為磨粒磨損和黏著磨損。