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1、 钛合金摩擦磨损及改善技术的研究进展 余成君摘 要：从钛合金摩擦磨损的外部影响因素以及摩擦过程产物出发，综述了有关钛合金摩擦磨损性能与机理的研究认识，总结了当下较为常用的4类表面处理方法，即表面改性技术、表面涂镀技术、表面合金化技术以及表面复合处理技术。最后指出了当前改善技术存在的不足，并对钛合金摩擦磨损性能的研究方向作出了展望。关键词：钛合金;摩擦磨损机理;表面处理技术钛合金自20世纪50年代实现工业生产之后，由于其具备生物相容性、超导、储氢、形状记忆等独特功能，而被广泛应用在医疗器械、化工、航天航空、舰船等领域1，成为一种不可或缺的材料。一直以来，由于钛合金的低摩擦学属性，在实际工业应用中
2、，钛合金的表面很容易发生摩擦磨损2，钛合金的摩擦磨损性能较差可认为有以下几个原因：（1）加工硬化率及塑性剪切抗力低。（2）摩擦过程闪温致使氧化膜脆弱易脱落。（3）表面硬度较差。钛合金应用越广泛，所产生的磨损问题越多、越复杂3。因此，理解并掌握钛合金在不同使用环境中的摩擦磨损机理是改善钛合金摩擦磨损性能的重要研究步骤，但是在当前关于钛合金摩擦磨损机理的有限研究中，许多解释还存在不统一的状况。因此，本研究对当前的研究状况进行了综述，并根据影响因素总结了一些常用的表面处理技术。1 钛合金的摩擦磨损钛合金因其优异的性能而在诸多领域得到了广泛的应用，然而，每种材料都有其优缺点。钛合金因表面硬度较低、摩擦
3、磨損性能较差，在很多情况下并不能满足实际生产要求。针对钛合金摩擦磨损性能不足这一缺点，研究者做了大量研究，主要是为掌握钛合金摩擦磨损的机理，从而为改善钛合金的低摩擦学性能提供理论依据，钛合金的摩擦磨损形式主要有：冲蚀磨损、腐蚀磨损、粘着磨损、疲劳磨损以及微动磨损等4，在通常情况下，这几种形式的磨损是同时发生的，工况条件不同，磨损形式的主次也不同。2 钛合金摩擦磨损的影响因素2.1 外部条件的影响因钛合金的塑性剪切抗力及加工硬化率较低，实际服役过程中，影响钛合金摩擦磨损性能的因素主要有载荷、位移幅值、温度、环境介质、对磨材料等。2.1.1 载荷在实际工况使用中，钛合金所能承载的质量大小与所产生的
4、磨损程度是重要的使用指标。因此，弄清楚载荷与钛合金磨损率的关系，显得尤为必要。胡林泉等5对TC4钛合金进行了在不同载荷（130 g，230 g，330 g）下的干摩擦试验。结果表明，摩擦因数随着载荷的增大而增大，同时，磨痕将更宽、更深，磨损体积增加，磨损更加严重。其主要磨损机制为磨粒磨损以及少量的黏着磨损，并伴有一定程度的有氧化磨损。景鹏飞等6在不同载荷下对TC4钛合金的磨损体积与磨损率进行了测试，结果表明，随着载荷的增加，磨损体积与磨损率都在不同程度地增大。王兰7对TC4钛合金与GCr15对磨的研究表明，在25200 下，TC4钛合金的磨损率与载荷几乎成线性关系。可见，TC4钛合金的磨损率随
5、所承载的法向载荷增大而变大。2.1.2 位移幅值在航空航天、海洋船舶等领域，钛合金微动磨损造成的损失难以估量，而位移幅值对其有着较大的影响。景鹏飞等6在不同位移幅值下对TC4钛合金进行了摩擦磨损测试，结果表明，小位移幅值下，TC4钛合金的磨损率明显低于大位移幅值下的磨损率。郭薇等8也指出位移幅值与摩擦系数的关系，随着位移幅值的增大，摩擦系数迅速增大，当到达100 m时，摩擦系数达到最大，之后摩擦系数又逐渐减少。这是由于不同的位移幅值将导致合金表面产生形貌差异，当位移幅值增大时，磨屑颗粒变小，形状由块状向球状转变。但随着位移幅值的进一步增大，球状的颗粒又由于摩擦热的影响而黏结成膜状，这一结构的形
6、成，增大了微动摩擦系数，此外，当位移幅值增大时，钛合金表面会发生较严重的氧化，并伴随氮化物的形成。2.1.3 温度陆海峰等9以TC4-DT钛合金作为研究对象发现，随着温度的升高，TC4-DT钛合金的摩擦系数和磨损率都不断降低，下降的原因可认为是温度升高，氧元素质量浓度不断增大，合金表面形成一层氧化薄膜，这层薄膜在一定程度上减轻了磨损。随着温度的升高，TC4-DT钛合金的磨损机制则由以粘着磨损、磨粒磨损为主转变为以剥层磨损、氧化磨损为主。谢小飞等10在研究温度对TC4钛合金摩擦磨损性能的影响时，也发现从室温至600范围内，TC4钛合金的磨损量、平均摩擦系数随着温度的升高而减小，与低温时相比，高温
7、时产生了氧化磨损。研究结果表明磨损量、平均摩擦系数都与温度成负相关的关系。2.1.4 环境介质钛合金并不只是在大气环境下使用，也会在一些苛刻环境下作业，例如真空、海水以及其他气体氛围。因此，分析不同环境介质对钛合金摩擦磨损性能的影响有着重要意义。刘勇等11通过分析TC4钛合金在真空以及空气中的磨损率，发现在载荷和滑移速度等外界条件相同，TC4钛合金在空气中的磨损率明显大于真空中的磨损率。徐勇利等12在分析TA11钛合金分别在氩气和空气环境中的应用指出，外部因素使表层氧化膜破碎，产生大量磨屑，会导致在空气环境中的磨损率迅速上升且远大于在氩气中的磨损率。赵威等13也指出，氮气氛围会对钛合金具有一定
8、的减磨作用，氧化会在一定程度上增大钛合金的磨损率。李新星14研究发现，在模拟海水、纯水、空气3种介质中，磨损率依次降低。由此表明，在不同的环境介质中钛合金有不同的耐磨性，环境介质对于钛合金的摩擦磨损有着显著的影响。2.1.5 对磨材料对磨材料也会对钛合金的摩擦磨损产生重要影响。张忠杰15使TC4钛合金在相同载荷、频率、深冷处理时间下分别与ZrO2陶瓷球、Si3N4陶瓷球对磨，发现硬度更大的Si3N4陶瓷球摩擦系数更大，磨损更严重。ZHANG等16在室温下分别用3种不同硬度等级的AISI 52100钢与钛合金进行对磨，在滑移速度相同的条件下，硬度更高的对磨材料会导致钛合金的磨损情况更严重，钛合金
9、的磨损率与对磨材料的硬度呈正相关的关系，可能是因为硬度更高的对磨材料更容易破坏钛合金基体的保护膜，使裸露的基体直接作用于磨球。2.2 摩擦产物的影响摩擦磨损的过程是一个复杂的材料表层损伤过程，在该过程中产生的摩擦氧化物以及温度升高的现象，也会对钛合金的耐磨性能产生重要影响。2.2.1 摩擦热在与对磨材料对磨的过程中，不可避免地会产生热量。当转速较低，所产生的摩擦热很少时，对钛合金的摩擦磨损性能影响并不明显，但当转速较高时，产生较多的热量使钛合金的磨损机理复杂化。邱勇等17研究摩擦热对TC4钛合金耐磨性的影响时指出，摩擦温度升高到550600 时，存在于空气中的氧、氮元素极易渗入合金表层，形成T
10、i和V的氧化物，使其耐磨性下降。同时，渗氮而形成的氮化物VN具有较大脆性18，使得Ti6Al4V的次表层出现裂纹，从而降低了耐磨性。另一方面，当摩擦温度达到800 时，钛合金的磨损率反而降低。这表明钛合金并非在所有温度下都具有较差的耐磨性，有利于促进钛合金在高温服役下的应用研究。2.2.2 摩擦氧化物摩擦氧化物可认为是在摩擦磨损的过程中，由于摩擦热或环境温度的影响，金属的氧化加剧而形成的产物。传统观点认为，这是导致钛合金耐磨性低的原因19-20。但REN等21在研究钛碳化硅（Ti3SiC2）的摩擦学性能时发现，钛合金与钛碳化硅对磨时形成的氧化物薄膜可有效降低鈦合金的磨损率。王兰等22在研究摩擦
11、层对TC4钛合金的摩擦磨损影响时指出，在摩擦过程中形成的TiO2，TiO产物，使得TC4钛合金的磨损率明显下降。研究结果表明，摩擦磨损过程中生成的氧化物可以使合金的磨损率降低。从当前研究来看，在不同条件下，钛合金的摩擦磨损机理也并不相同。通常是几种磨损机制的组合，对磨材料、温度、位移幅值、滑移速度、摩擦产物等都会影响钛合金的摩擦磨损机制，同时，不同影响因素之间又相互影响。因此，对于钛合金的摩擦磨损机理还需要做进一步的研究，分析不同影响因素之间的联系与区别，加深对钛合金摩擦磨损的认识。3 钛合金摩擦磨损性能的改善因摩擦磨损是金属表面的损伤，所以，钛合金摩擦磨损性能的改善主要通过表面处理技术实现，
12、以促进在磨损工况下的使用。钛合金常见的表面处理技术为：表面改性技术、表面涂镀技术、表面合金化技术、表面复合强化处理技术等等。这些技术主要是从物理或从化学途径，乃至两种途径结合，进行基体表面组织结构、化学成分等的改变，以提高钛合金的摩擦磨损性能。3.1 表面改性技术表面改性技术是采用化学、物理的方法改变材料表面的化学成分、组织结构、应力状态等，以改变材料的表面性能。常见的有3束改性（激光束、离子束、电子束）等。李嘉宁23通过在TC4钛合金表面激光熔覆Ti-Al的金属间化合物和陶瓷复合粉末，形成的熔覆层极大地提高了钛合金的耐磨性与显微硬度。刘丹等24在TC4钛合金的表面熔覆TiB2，TiC与Ni的
13、混合粉末，制备了均匀致密的混合涂层，之后分别与45号圆钢进行摩擦磨损测试，结果表明，熔覆层的显微硬度较基材提高了约2.5倍，磨损量仅为基材的3.5%。杨慧25在TC4钛合金的表面注入碳离子，在基体表面形成一层无序膜，且碳化物弥散分布在基体表层。通过在相同载荷下对未经离子化处理的钛合金与经离子化处理的钛合金进行摩擦磨损测试，结果发现，碳离子注入的合金摩擦系数更低，磨损率也更低。况军等26在研究强脉冲电子束对TA15的耐磨性影响时发现，经过工艺参数合理的电子束处理后，钛合金的耐磨性较未处理样品提高了近3倍。3.2 表面涂镀技术表面涂镀技术是指通过一系列物理或化学的方式在基体材料表面形成一层涂层或者
14、镀层，从而达到使材料表面获得微米化、纳米化的单层或多层材料的目的，以便达到特殊的使用要求。常见的表面涂镀技术有热喷涂、化学镀、电镀、气相沉积、微弧氧化和磁控溅射等。王成27通过使用超音速火焰喷涂技术和球状WC-Co粉末，成功在TC18的钛合金基体表面制造出WC-12Co涂层。摩擦磨损性能试验，结果表明，涂层的摩擦系数小于TC18钛合金的摩擦系数，且磨损体积也远小于TC18钛合金基体。李兆峰等28利用等离子喷涂技术在钛合金表面制备了含Al2O3、TiO2的陶瓷镀层。经耐磨性试验后发现，涂层样的耐磨性显著高于基体材料的耐磨性，涂层样的摩擦系数仅为基体材料的38.8%，磨损量仅为1.29%。孙文峰2
15、9通过在TC4钛合金的表面电镀Ni-P镀层使得钛合金的耐磨性明显提高，在摩擦磨损时受到更小的阻力。赵立才30采用在钛合金的表面化学镀Ni-P的方法，提高了钛合金的耐磨性，同时发现，热处理后有利于提高镀层的耐磨性与硬度。齐玉明等31用较高浓度的铝酸盐电解液在TC4钛合金表面制备了微弧氧化膜，并研究其摩擦磨损性能，高硬度氧化膜成分是Al2TiO5，-Al2O3以及少量金红石型TiO2，并发现增大电解液浓度可有效增大微弧氧化膜的硬度，进而使膜层的耐磨性得以提升。黄洁雯32研究阴极等离子体电解（CPED）沉积机制时，在钛合金的表面制备了一层HA-Ti（C， N）-TiO2复合膜，并发现膜中HA的质量浓
16、度越大，钛合金的耐磨性越好，在1 142 下，进行30 mins CPED制得的复合膜具有最好的耐磨性。潘晓龙等33采用TiAl作为合金靶材，通过磁控溅射的方式，在TC4钛合金的表面沉积了TiAlN涂层，与TC4钛合金的磨损质量相比，镀层失重约为基体材料的80%，摩擦磨损性能得到了较大的提高。3.3 表面合金化技术表面合金化技术是指通过物理或化学方法，添加物质进入材料基体表面，改善金属表面层的组成与结构，形成一层合金化层，进而对基体材料起到保护作用。杨闯等34在不同温度下对TC4钛合金进行低压真空渗氮处理，并研究其耐磨性能的变化。处理后，在钛合金基体表层形成了TiN和Ti2AlN的改性层，硬度及耐磨性都有显著增强，
