俞樹榮，馬邦豪，宋 偉，何燕妮，景鵬飛，塵 強(qiáng)

(蘭州理工大學(xué), 甘肅 蘭州 730050)

微動(dòng)是指名義上靜止的兩接觸體表面在振動(dòng)工況下(如疲勞載荷、機(jī)械振動(dòng))發(fā)生的極小振幅的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[1]，其振幅為微米量級(jí)(一般小于300 μm)，普遍存在于航天航空、化工設(shè)備、核電能源等眾多領(lǐng)域。微動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)械配合件造成形式復(fù)雜且具有隱蔽性的損傷[2]，造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失，影響構(gòu)件的安全性和可靠性，已成為大量關(guān)鍵零部件失效的主要原因之一[3-5]。

鈦合金因其密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性良好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在眾多工程領(lǐng)域[6]，然而由于硬度低、抗疲勞性能差、耐磨性較差等原因，使其對(duì)微動(dòng)損傷十分敏感。有研究表明，微動(dòng)作用可使鈦合金疲勞極限降低20%～50%，嚴(yán)重影響其使用壽命，給實(shí)際工程應(yīng)用帶來危害[6-8]。近些年，為提高鈦合金表面性能出現(xiàn)了較多的表面改性方法[9，10]，其中微弧氧化技術(shù)是通過電解液與相應(yīng)電參數(shù)組合，在金屬表面原位生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷涂層。如劉百幸等人[9]研究了微弧氧化膜的磨損性能及失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在干摩擦和油潤滑環(huán)境下，剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力分別是導(dǎo)致膜層失效的主要因素，采取有效潤滑可提高膜層的使用壽命；楊力等人[11]研究了不同合金表面微弧氧化膜層的硬度及磨損形貌，發(fā)現(xiàn)TA1和TC10鈦合金表面微弧氧化膜層的抗磨特性優(yōu)于TC4鈦合金表面微弧氧化膜層；齊玉明等人[12]研究了鈦合金表面高硬度微弧氧化膜的耐磨性，發(fā)現(xiàn)采用高濃度鋁酸鹽電解液制備的微弧氧化膜具有較高硬度，在滑動(dòng)干摩擦條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性。由于微弧氧化工藝操作簡單、綠色環(huán)保，且生成的陶瓷層具有高耐磨性、良好的耐腐蝕性以及與基體結(jié)合緊密等特點(diǎn)，成為耐磨性、耐蝕性防護(hù)等領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[13-16]，但應(yīng)用于微動(dòng)損傷防護(hù)領(lǐng)域中的研究較少。實(shí)驗(yàn)選用應(yīng)用較廣的TC4鈦合金材料，通過微弧氧化技術(shù)在其表面制備陶瓷層，探究TC4鈦合金在微弧氧化前后表面形貌及摩擦系數(shù)等變化，分析氧化陶瓷層對(duì)TC4鈦合金抗微動(dòng)損傷性能的影響，從而為鈦合金抗微動(dòng)損傷設(shè)計(jì)提供理論支持與實(shí)際參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

截取φ24 mm×7.8 mm的TC4鈦合金圓柱試樣，表面用SiC水磨金相砂紙進(jìn)行逐級(jí)打磨，再用粒度為0.04 μm的SiO2拋光液進(jìn)行拋光，使其表面粗糙度Ra在0.03～0.04 μm之間。拋光試樣用丙酮溶液在超聲波清洗器中清洗，并用乙醇洗干凈以備微弧氧化試驗(yàn)。

采用微弧氧化法在TC4鈦合金試樣表面制備微弧氧化陶瓷層，試驗(yàn)中陽極選用已制備好的TC4鈦合金，陰極為電解池。電解液采用磷酸鹽溶液，配置過程：在燒杯中準(zhǔn)備1600 mL去離子水，根據(jù)電解液濃度計(jì)算Na3PO4質(zhì)量，并加入去離子水中攪拌至溶解，再加入適量乙酸將pH調(diào)至10～11之間。在試驗(yàn)過程中相應(yīng)的電參數(shù)：電源頻率為500 Hz，電壓為450 V，時(shí)間為30 min。

以球-平面接觸方式, 采用德國Optimol公司制造的SRV-IV微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行微動(dòng)磨損試驗(yàn)。摩擦副上試樣選用φ10 mm的GCr15鋼球，下試樣為TC4鈦合金，上、下試樣化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。試驗(yàn)參數(shù)：法向載荷為10 N，頻率為25 Hz，位移幅值分別為80、150 μm，循環(huán)次數(shù)為45 000次，在室溫下摩擦30 min。微動(dòng)磨損試驗(yàn)完成后，用QUANTA FEG 450場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察TC4基體和微弧氧化陶瓷層的表面磨損形貌。摩擦系數(shù)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集得到。用OLYMPUS OLS 5000 3D激光共聚焦顯微鏡(LSCM)測量磨損量和磨痕深度曲線。

表1 TC4和GCr15化學(xué)成分 (w/%)Table 1 Chemical composition of TC4 and GCr15

表2 TC4和GCr15主要力學(xué)性能Table 2 Main mechanical properties of TC4 and GCr15

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦系數(shù)

圖1為TC4基體和微弧氧化膜層在位移幅值D分別為80、150 μm下的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。從圖1可以看出，摩擦系數(shù)可分為3個(gè)階段：快速上升期，波動(dòng)期，穩(wěn)定期。

由圖1a可知，位移幅值為80 μm時(shí)，初始階段即200 s前，TC4基體表面與對(duì)磨材料接觸面積較小，摩擦力也小，但隨著摩擦的進(jìn)行，基體表面膜受擠壓摩擦的作用被迅速破壞和去除，金屬基體接觸面積增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)快速上升[17]；在300～700 s之間，摩擦系數(shù)處于波動(dòng)狀態(tài)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒不斷地剝落，磨痕表面形成具有阻隔作用的第三體層在微動(dòng)擠壓作用下逐漸發(fā)生細(xì)化，但第三體的產(chǎn)生與接觸表面的溢出保持動(dòng)態(tài)平衡，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。微弧氧化膜層的摩擦系數(shù)在磨損初期較小，300 s前隨著表面膜逐漸破裂，摩擦副發(fā)生直接接觸使摩擦系數(shù)快速上升；300～900 s時(shí)摩擦系數(shù)屬于波動(dòng)狀態(tài)而后便趨于穩(wěn)定；由于微弧氧化膜層表面比較粗糙，所以與TC4基體相比，同時(shí)間段微弧氧化膜層摩擦系數(shù)大；但在1600～1700 s時(shí)，摩擦系數(shù)明顯下降，考慮是對(duì)磨材料或剝落顆粒填充到微弧氧化膜層微孔凹陷處，與壓實(shí)氧化層的形成有關(guān)[18]。微弧氧化膜層的平均摩擦系數(shù)為0.811，略高于TC4基體(0.773)。

圖1 不同位移幅值下TC4基體和微弧氧化膜層摩擦系數(shù)變化曲線Fig.1 Friction coefficient variation curves of TC4 substrate and micro-arc oxide film at different displacement amplitudes： (a) D=80 μm; (b) D=150 μm

由圖1b可知，在位移幅值為150 μm時(shí)，微動(dòng)初始階段摩擦系數(shù)快速上升，在200～600 s之間，塑性變形—粘著—粘著斷裂—再粘著過程反復(fù)出現(xiàn)，摩擦系數(shù)一直處于波動(dòng)狀態(tài)，呈現(xiàn)出類似于鋸齒的形狀。隨后接觸面三體作用增強(qiáng)，摩擦系數(shù)略微回落且逐漸穩(wěn)定，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，磨屑的產(chǎn)生和排出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，摩擦系數(shù)相對(duì)趨于穩(wěn)定。微弧氧化膜層平均摩擦系數(shù)(0.727)低于TC4基體的平均摩擦系數(shù)(0.761)，這是由于此條件下磨損過程中疏松層剝落的顆粒嵌入微弧氧化膜層微孔中，使膜層表面變的平整，磨面摩擦氧化物的出現(xiàn)對(duì)摩擦系數(shù)變化也會(huì)產(chǎn)生一定的影響[19]。相比于80 μm時(shí)，位移幅值為150 μm微動(dòng)循環(huán)中微弧氧化陶瓷層的摩擦系數(shù)減小，低于TC4基體的平均摩擦系數(shù)，這是由于增大位移幅值，微動(dòng)由混合區(qū)進(jìn)入完全滑移區(qū)，此時(shí)由彈性協(xié)調(diào)變形向滑移轉(zhuǎn)變，摩擦系數(shù)峰值降低。

2.2 磨損量與磨損率

TC4基體和微弧氧化膜層耐磨性能用磨損量及磨損率來衡量[20，21]。磨損量用OLYMPUS OLS 5000 3D激光共聚焦顯微鏡測得, 磨損率由(1)式得：

(1)

式中：K為磨損率，μm3/(N·μm)；V為磨損量，μm3；N為微動(dòng)循環(huán)次數(shù)；D為位移幅值，μm；F為法向載荷，N。

圖2為不同位移幅值下TC4基體與微弧氧化膜層的磨損量與磨損率。由圖2a可知，當(dāng)法向載荷一定時(shí)，位移幅值增加后磨損量隨之增加；由圖2b可知，位移幅值增加后磨損率也隨之增大，微弧氧化膜層的磨損率曲線斜率大于TC4基體磨損率曲線，這與微弧氧化膜層的疏密程度不均勻/表面粗糙或孔徑大小有關(guān)；在相同的位移幅值下，基體的磨損量和磨損率均大于微弧氧化陶瓷涂層。位移幅值為80 μm時(shí)，微動(dòng)處于混合區(qū)，快速滑動(dòng)產(chǎn)生的磨屑難以排出而積聚在一起，其磨損區(qū)域面積較小，對(duì)材料和對(duì)磨球之間的接觸起到隔離的作用，積聚的磨屑對(duì)微動(dòng)起緩沖作用，此時(shí)TC4基體的磨損量及磨損率約為微弧氧化膜層的1.4倍；位移幅值增大到150 μm時(shí)，微動(dòng)狀態(tài)處于完全滑移區(qū)，摩擦長度相對(duì)較長，微動(dòng)磨損區(qū)域變大，快速滑動(dòng)產(chǎn)生的磨屑容易排出，造成金屬與金屬間接觸加劇，磨損增大，材料損失更為嚴(yán)重。位移幅值D=150 μm時(shí)，兩者磨損量明顯變大，而微弧氧化陶瓷層的磨損量僅為TC4基體的70%。

圖2 不同位移幅值下TC4基體與微弧氧化膜層的磨損量和磨損率Fig.2 Wear volume(a) and wear rate(b) of TC4 substrate and micro-arc oxide film at different displacement amplitudes

圖3為位移幅值為80 μm時(shí)TC4基體和微弧氧化膜層的磨痕三維形貌和磨痕深度曲線。由圖3a、b可以看出，在D=80 μm時(shí)，微弧氧化膜層微動(dòng)磨損面積小于鈦合金基體，第三體起到固體潤滑的作用，磨損坑淺。由圖3c可知，微弧氧化膜層磨痕深度較小，與磨損量趨勢一致。圖4為D=150 μm時(shí)TC4基體和微弧氧化膜層的磨痕三維形貌和磨痕深度曲線。由圖4可知，位移幅值增大后，TC4基體與微弧氧化膜磨痕深度明顯增大。一方面，在位移幅值較大時(shí)，微動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦熱促進(jìn)接觸區(qū)氧化反應(yīng)進(jìn)行，加速氧化膜的形成；另一方面，隨微動(dòng)磨損的進(jìn)行，表面氧化膜二次破裂和形成的時(shí)間間隔延長，造成氧化膜破壞[22]。氧化膜形成—破壞的過程不斷重復(fù)，磨損嚴(yán)重，加劇材料的流失，造成磨痕深度的增大，但相同位移幅值下，微弧氧化的磨痕深度總是小于TC4基體。由磨損量、磨損率、磨痕三維形貌及磨痕深度曲線得出：在相同位移幅值下，微弧氧化膜層磨損量均小于TC4基體，磨損率也較小，磨痕深度也較淺，因而微弧氧化膜層改善了TC4基體的耐磨性，減弱磨損效果明顯[9.23，24]。

圖3 位移幅值為80 μm時(shí)磨痕的LSCM測試結(jié)果Fig.3 LSCM test results of wear scar at displacement amplitude of 80 μm：(a)wear trace morphology of TC4 substrate; (b)wear trace morphology of micro-arc oxide film; (c)grinding depth curves

圖4 位移幅值為150 μm時(shí)磨痕的LSCM測試結(jié)果Fig.4 LSCM test results of wear scar at displacement amplitude of 150 μm：(a)wear trace morphology of TC4 substrate; (b)wear trace morphology of micro-arc oxide film; (c)grinding depth curves

2.3 磨損表面形貌及磨損機(jī)制

圖5為TC4基體與微弧氧化膜層表面形貌。圖5a為TC4基體表面形貌，可以看到顯微組織由α+β相組成，灰色的是α相，白色的為晶界β相，所占體積分?jǐn)?shù)分別約為60%和40%[25]；圖5b、5c為微弧氧化膜層表面形貌，粗糙的表面是由于反應(yīng)時(shí)熔融的放電通道在冷卻過程中收縮不勻而形成凹凸不平的形態(tài)[11]，表面孔洞的尺寸也在一定程度上影響了膜層整體的均勻性和粗糙度[10-12]。從圖5c可以看出，微弧氧化膜層中存在許多細(xì)小的顯微孔洞，這是微弧氧化過程中反應(yīng)區(qū)與反應(yīng)物排出的通道[26]。

圖5 TC4基體和微弧氧化膜層的表面形貌Fig.5 Surface morphologies of TC4 substrate (a) and micro-arc oxide film (b，c)

圖6a～6c為TC4基體在D=80 μm時(shí)的表面磨損形貌。由圖6a可以看出，磨痕中心位置有片狀脫落，表面遍布大量磨屑，考慮是第三體層破裂所致；圖6b表面呈現(xiàn)出典型的粘著磨損特征，可看到具有層狀結(jié)構(gòu)的舌形楔，其反映出塑性變形和撕裂的特征，同時(shí)觀察到沿微動(dòng)方向的犁溝形貌[27，28]。圖6c表面可觀察到松散的磨屑、脫落的片狀材料，此時(shí)易萌生裂紋，誘發(fā)疲勞的產(chǎn)生。圖6d～6f為微弧氧化層D=80 μm時(shí)的表面磨損形貌。從圖6e可見，在摩擦力的作用下材料剝離而產(chǎn)生了磨粒，在磨粒摩擦磨損的過程中，膜層表面沿微動(dòng)方向產(chǎn)生明顯的犁溝，形成磨粒磨損；混合區(qū)產(chǎn)生的磨屑一部分排出，一部分則堆積粘著。從圖6f可以看出，微弧氧化膜層出現(xiàn)大范圍黑色光滑區(qū)和少量剝落坑和裂紋，微弧氧化的光滑區(qū)即為含有摩擦氧化物膜層。綜上所述，在位移幅值為80 μm時(shí)，TC4基體磨損機(jī)制以粘著磨損和磨粒磨損為主，微弧氧化膜層磨損機(jī)制以氧化磨損為主，并伴有磨粒磨損。

圖6 位移幅值為80 μm時(shí)TC4基體和微弧氧化膜層的表面磨損形貌Fig.6 Wear morphologies of TC4 substrate (a～c) and micro-arc oxide film (d～f) at displacement amplitude of 80 μm

圖7a～7c為TC4基體在D=150 μm時(shí)表面磨損形貌。由圖7b、7c可知，位移幅值增大后，微動(dòng)磨損區(qū)域變大，此時(shí)微動(dòng)處于完全滑移區(qū)，快速滑動(dòng)產(chǎn)生的磨屑有一部分被推擠出接觸區(qū)，使得基體與對(duì)磨球接觸增大，摩擦熱也增大，氧化膜形成—破壞過程重復(fù)進(jìn)行，使得氧化磨損進(jìn)一步加?。幌鄬?duì)滑動(dòng)更加劇烈，裂紋在更深的亞表層萌生，進(jìn)一步向表面擴(kuò)展，與表面裂紋匯合，造成更嚴(yán)重的疲勞脫層，在材料表面以較大片層的形式脫落，因而在圖7c中可以觀察到更大更深的剝落坑。圖7d～7f為微弧氧化膜層在D=150 μm時(shí)的磨損表面形貌。圖7d、7f表面有沿微動(dòng)方向的犁溝形貌，這是由于微弧氧化膜層具有較高的粗糙度，凸起部位先被磨平，一部分形成的磨粒鑲嵌到膜層孔洞中，一部分破壞脫落而被碾壓成硬質(zhì)顆粒發(fā)生機(jī)械切削形成犁溝；圖7e可以觀察到材料發(fā)生裂紋形核，在切應(yīng)力作用下，裂紋擴(kuò)展，使材料發(fā)生層狀剝落，形成較深的剝落坑，同時(shí)看到黑色層覆蓋，磨損表面出現(xiàn)黑色區(qū)，這是氧化磨損的典型特征；由于微弧氧化表面改性技術(shù)所用電解液為堿性體系，較酸性體系而言放出的氣體少[29]，膜層表面的孔徑也小，但是裂紋多。從圖7e也可以觀察到較多的裂紋。綜上所述，位移幅值D=150 μm時(shí)，TC4基體磨損機(jī)制為疲勞磨損和氧化磨損，微弧氧化膜層磨損機(jī)制以氧化磨損為主并伴有磨粒磨損。

圖7 位移幅值為150 μm時(shí)TC4基體和微弧氧化膜層的表面磨損形貌Fig.7 Wear morphologies of TC4 substrate (a～c) and micro-arc oxide film (d～f) at displacement amplitude of 150 μm

3 結(jié) 論

(1)相同位移幅值下，TC4基體與微弧氧化陶瓷層摩擦系數(shù)變化趨勢相同，為快速上升期—波動(dòng)期—穩(wěn)定期；位移幅值較小時(shí)，摩擦系數(shù)大且波動(dòng)大；位移幅值較大時(shí)，摩擦系數(shù)波動(dòng)較小，兩者平均摩擦系數(shù)降低。

(2)在位移幅值為80 μm時(shí)，TC4基體的磨損機(jī)制以粘著磨損和磨粒磨損為主，微弧氧化陶瓷層磨損機(jī)制以氧化磨損為主；在位移幅值為150 μm時(shí)，TC4基體的磨損機(jī)制為疲勞磨損和氧化磨損，微弧氧化陶瓷層磨損機(jī)制以氧化磨損為主并伴有磨粒磨損。

(3)TC4基體及微弧氧化陶瓷層的磨損量、磨損率與位移幅值相關(guān)；相同位移幅值下，微弧氧化陶瓷層磨損量、磨損率均小于TC4基體，磨痕深度曲線也較淺。在微動(dòng)磨損過程中，經(jīng)微弧氧化處理的鈦合金構(gòu)件表面生成的陶瓷質(zhì)氧化膜能夠有效地保護(hù)材料基材免受磨損的破壞，進(jìn)而提高鈦合金基體的耐磨性。