張 浩，孫志強(qiáng)，曹子文，李志強(qiáng)，周文龍，付雪松

(1.大連理工大學(xué)，大連 116024；2.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司， 北京 100176；3.中國航空制造技術(shù)研究院高能束流國防科技重點實驗室，北京 100024）

TB6 鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、可鍛性高等優(yōu)異性能，常被應(yīng)用在直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)上[1-2]。直升機(jī)旋翼系統(tǒng)連接構(gòu)件長期在高頻的交變載荷下服役，主槳轂中央件與周圍連接耳片極易出現(xiàn)嚴(yán)重的微動磨損，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命大大降低，這是典型的微動損傷問題[3]。表面改性技術(shù)是改善材料抗微動損傷的重要措施，如涂層、鍍膜、離子注入、機(jī)械噴丸、激光沖擊、低塑性拋光、滾壓等[4-6]。防護(hù)策略核心是通過表面工程技術(shù)抑制裂紋萌生或微裂紋擴(kuò)展，從而提升微動壽命[7]。近些年，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（Laser shock peening，LSP）取得長足發(fā)展，已經(jīng)成功應(yīng)用于發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件的表面改性強(qiáng)化。飛機(jī)葉片楔形根部經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后，微動疲勞壽命至少提高25 倍，LSP 已經(jīng)成為現(xiàn)代先進(jìn)表面改性技術(shù)[4，8]。

LSP 利用高能量密度、短脈沖的激光束照射在金屬表面的吸收層上，吸收層迅速汽化產(chǎn)生等離子沖擊波作用在材料表面，使其發(fā)生塑性變形，最終形成硬化層和殘余壓應(yīng)力層[9]。研究表明，LSP 能明顯改善材料的疲勞[10]、腐蝕[11]和磨損[12]性能。張興權(quán)等[13]研究發(fā)現(xiàn)激光沖擊可以增強(qiáng)40Cr 鋼耐磨性能，認(rèn)為其源于激光沖擊后材料表層組織細(xì)化和加工硬化。Tong 等[14]研究高溫環(huán)境下TC11 合金的摩擦行為，LSP 能有效減輕脫層磨損和磨粒磨損。目前LSP 對材料摩擦性能影響的研究多集中于大位移幅值下的宏觀滑動摩擦試驗。

本文以高強(qiáng)耐腐TB6 鈦合金為研究對象，研究了LSP 處理對TB6 鈦合金微動摩擦的影響，重點分析了位移幅值對耐磨性能和磨損行為的影響，位移幅值范圍25～100μm?；诒砻嫱暾蕴卣?，探討了LSP 處理對微動損傷模式的影響。

1 試驗及方法

本文使用的TB6 鈦合金化學(xué)成分如表1 所示。利用電火花線切割將試樣加工為φ25×8mm 的圓片，如圖1（a）所示。LSP 處理前，試樣表面采用SiC 砂紙逐級打磨拋光，砂紙?zhí)栆来螢?00#、600#、800#、1000#、1200#和1500#。將打磨試樣浸沒在酒精中，用超聲波清洗儀去除試樣表面污染物，然后利用Nd∶YAG 激光器進(jìn)行LSP 處理，激光束波長為1064nm，能量28J，脈沖寬度21ns，光斑尺寸為3.7mm×3.7mm，搭接率為20%，采用鋁箔作為吸收層粘貼于待強(qiáng)化位置表面，采用流動去離子水作為約束層，沖擊區(qū)域光斑排布如圖1（b）所示。微動摩擦試樣分為兩組，一組為原始試樣，另一組為LSP 試樣。

表1 TB6 鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of TB6 titanium alloy (mass fraction) %

圖1 LSP 處理試樣及沖擊路徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of LSP sample and impact path

采用SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機(jī)對原始試樣和LSP 試樣進(jìn)行往復(fù)微動磨損試驗。接觸方式為球-盤式，試驗對偶件選用直徑為10mm 的鈦合金球。微動磨損試驗在室溫25℃的大氣環(huán)境中進(jìn)行，位移幅值為25μm、50μm、75μm、100μm，法向載荷為100N，加載頻率為20Hz，微動時間為60min。試驗過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)記錄摩擦系數(shù)。試驗后，將試樣浸泡在酒精中超聲振蕩清洗表面碎屑，冷風(fēng)吹干。采用HV-10008 華銀顯微硬度計測試顯微硬度。采用Empyrean 03030502 X 射線衍射儀測試殘余應(yīng)力，測試具體參數(shù)如下：同傾法測試，選擇141°處的衍射峰，晶面（213）作為掃描中心。掃描中心141°，掃描范圍6°（138°～144°），每個方向上測7 個不同的傾轉(zhuǎn)角（0°、9.074°、12.9210°、15.8942°、18.4349°、20.7048°和22.7865°），管電壓45kV，管電流40mA。為測量沿深度方向殘余應(yīng)力場的變化，采用腐蝕法進(jìn)行剝層，腐蝕劑配比為HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶47。采用OLYMPUS OLS5000 激光共聚焦顯微鏡測量原始試樣和LSP 試樣的表面粗糙度、磨痕三維輪廓以及磨損體積，采用SUPRA55 型場掃描電子顯微鏡觀察磨痕表面和截面形貌，進(jìn)行EDS 成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光沖擊對表面完整性的影響

圖2 為原始試樣和LSP 試樣的表面二維輪廓。原始TB6 鈦合金表面較為光滑，只有砂紙打磨后留下的微溝槽，表面粗糙度較小，Ra=0.203μm，Rz=2.182μm，如圖2（a）所示。經(jīng)過LSP 處理后，試樣表面輪廓出現(xiàn)了較大的起伏，粗糙度Ra=0.321μm，Rz=4.144μm，如圖2（b）所示。LSP 處理增大了材料表面的粗糙度，其原因為光斑沖擊過程中材料表層塑性流變，同時一次沖擊區(qū)與二次沖擊區(qū)的塑性變形程度不同，致使材料表面不平整，粗糙度增加[15]。

圖2 原始及激光沖擊試樣表面二維輪廓Fig.2 Surface two-dimensional contour of origin and LSP samples

圖3 為LSP 試樣沿深度方向殘余應(yīng)力和顯微硬度的分布曲線，LSP處理后，TB6鈦合金表面引入殘余壓應(yīng)力層，壓應(yīng)力層深度＞1.2mm，最大殘余壓應(yīng)力（-650MPa）出現(xiàn)在表面，殘余壓應(yīng)力沿深度方向逐漸遞減。同時，LSP處理后樣品表面形成硬化層，硬度值沿深度方向同樣呈現(xiàn)遞減趨勢，表面硬度值為400HV，相比于原始試樣硬度值（322HV）提高了近80HV，硬化層深1.4mm。

圖3 激光沖擊試樣不同深度下的顯微硬度和殘余應(yīng)力分布曲線Fig.3 Microhardness and residual stress distribution curves of LSP samples at different depths

2.2 激光沖擊對微動摩擦系數(shù)的影響

圖4 為原始試樣和LSP 試樣在微動測試下摩擦系數(shù)曲線，位移幅值分別為25μm、50μm、75μm、100μm。摩擦系數(shù)隨位移幅值增加發(fā)生明顯變化。原始試樣當(dāng)位移幅值為25μm 時，摩擦系數(shù)最小，摩擦系數(shù)隨磨損時間波動小，穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)約為0.16，如圖4（a）所示；當(dāng)位移幅值為50μm 時，摩擦系數(shù)上升至0.58，但摩擦系數(shù)曲線變化特征與25μm 時相同；當(dāng)位移幅值為75μm 時，摩擦系數(shù)曲線較為復(fù)雜，摩擦系數(shù)穩(wěn)定一段時間后出現(xiàn)突然下降和上升現(xiàn)象，這是由于摩擦接觸面材料發(fā)生區(qū)域性破壞，如表面材料發(fā)生剝落[16]；當(dāng)位移幅值為100μm 時，摩擦系數(shù)曲線波動更劇烈，但摩擦系數(shù)略有下降。圖4（b）為LSP 試樣在不同位移幅值下的摩擦系數(shù)曲線，其摩擦系數(shù)曲線變化趨勢與原始試樣摩擦系數(shù)曲線變化趨勢基本一致。

圖4 不同位移幅值下原始及激光沖擊試樣摩擦系數(shù)曲線Fig.4 Friction coefficient curves of origin and LSP samples under different displacement amplitudes

圖5 為原始試樣和LSP 試樣不同位移幅值下的平均摩擦系數(shù)。隨著位移幅值的增加，原始試樣和LSP試樣平均摩擦系數(shù)均先增加后減小，當(dāng)位移幅值75μm時，摩擦系數(shù)最大。在相同位移幅值下，原始試樣和LSP 試樣摩擦系數(shù)存在差異，在位移幅值較小時（25μm和50μm），LSP 試樣摩擦系數(shù)更大；在位移幅值較大（75μm 和100μm）時，LSP 試樣摩擦系數(shù)略小。

圖5 不同位移幅值下原始及激光沖擊試樣平均摩擦系數(shù)Fig.5 Average friction coefficient of origin and LSP samples under different displacement amplitudes

2.3 激光沖擊對磨痕輪廓形貌的影響

圖6 為原始試樣和LSP 試樣在不同位移幅值下磨痕的三維形貌。隨著位移幅值的增加，不僅微動接觸形成的磨痕面積增加，同時微動磨損形貌輪廓發(fā)生明顯變化。對于原始試樣，當(dāng)位移幅值為25μm 時，試樣表面較為平滑，基本無磨損，只有幾條淺顯的劃痕；當(dāng)位移幅值增加至50μm，微動接觸表面出現(xiàn)凸起黏著體，其來自于微動摩擦副球體；當(dāng)位移幅值增加至75μm 和100μm 時，微動接觸表面出現(xiàn)磨痕凹坑，凹坑中心出現(xiàn)局部隆起。

圖6 不同位移幅值下原始及激光沖擊試樣磨痕三維輪廓圖Fig.6 Three-dimensional profile of wear scar of origin and LSP samples under different displacement amplitudes

對于LSP 試樣，微動磨痕形貌隨位移幅值演變趨勢與原始試樣基本相同。當(dāng)位移幅值較小時，微動接觸面存在凸起的黏著體。二者不同的是，當(dāng)位移幅值為25μm 時LSP 樣品表面就存在明顯的黏著體，當(dāng)位移幅值為50μm 時LSP 樣品表面黏著體尺寸更大。其原因為LSP 處理后樣品表面粗糙度增加，微動區(qū)局部接觸應(yīng)力更高，容易形成偶接焊點，摩擦副更容易發(fā)生剪切剝落，粘著在試樣表面。當(dāng)位移幅值為75μm、100μm 時，LSP 試樣表面微動區(qū)同樣出現(xiàn)磨痕凹坑，但是與原始樣品相比磨痕深度較小。原始試樣磨痕最大深度分別為54.7μm 和97.5μm，LSP 試樣磨痕最大深度為44.4μm和69.6μm，LSP 處理后耐磨性得到改善。

當(dāng)位移幅值由50μm 增加到75μm 時，磨痕面積劇增，說明磨痕區(qū)域狀態(tài)發(fā)生改變，即由原來的部分滑移狀態(tài)向完全滑移狀態(tài)轉(zhuǎn)變[17]。在小位移幅值下微動磨損，基體沒有發(fā)生材料流失。當(dāng)位移幅值為50μm 時，原始試樣和LSP 試樣磨痕區(qū)域均出現(xiàn)大面積的黏著凸起，說明對偶件表面發(fā)生剪切剝落，粘著在試樣表面。

圖7 為大位移幅值下原始試樣和LSP 試樣的磨損體積，當(dāng)位移幅值為75μm、100μm 時，原始試樣磨損體積分別為1.55×108μm3和2.97×108μm3，LSP 試樣的磨損體積分別為1.18×108μm3和2.44×108μm3。LSP 處理后試樣磨損體積減小，鈦合金耐磨損性能提高。

圖7 不同位移幅值下原始及激光沖擊試樣的磨損體積Fig.7 Wear volume of origin and LSP samples under different displacement amplitudes

2.4 激光沖擊強(qiáng)化對磨損形貌及機(jī)制的影響

圖8 為不同位移幅值下試樣的磨痕全貌。位移幅值為25μm 時，原始試樣表面出現(xiàn)了沿微動方向的劃痕（圖8（a）），發(fā)生塑性變形；LSP 試樣表面的線性擦傷已經(jīng)聯(lián)結(jié)成片，同時局部區(qū)域出現(xiàn)小尺寸黏著凸起，如圖8（b）所示。位移幅值為50μm 時，原始試樣和LSP試樣的微動磨痕中心均存在大尺寸黏著體。此外，磨痕邊緣區(qū)域出現(xiàn)波紋狀微裂紋、片狀磨屑和犁溝，說明中心區(qū)域部分黏著體會發(fā)生剝層脫落，剝落物向邊緣轉(zhuǎn)移，形成片狀磨屑。高倍細(xì)觀形貌發(fā)現(xiàn)中心黏著體表面存在許多垂直于微動方向的細(xì)小裂紋（圖9（a））。某些微裂紋會向下擴(kuò)展，如圖9（b）所示，裂紋沿著黏著凸體與基體焊合面附近擴(kuò)展。當(dāng)位移幅值為75μm和100μm 時，原始試樣磨痕宏觀形狀為對稱的橢圓狀凹坑，而LSP 試樣磨痕不對稱，如圖8（e） ～（h）所示。其原因為試樣經(jīng)過LSP 處理后，樣品表面輪廓起伏大，導(dǎo)致磨痕形狀發(fā)生改變。原始試樣與LSP 試樣表面磨痕形貌特征極為相似，邊緣區(qū)域存在大量的犁溝，主要發(fā)生磨粒磨損。三維輪廓顯示，如圖6（e）～（h）所示，磨痕凹坑中心出現(xiàn)隆起。圖10（a）為磨痕中心的隆起體的高倍形貌，其表面出現(xiàn)局部碎化和犁溝現(xiàn)象，EDS 成分分析，碎化區(qū)域和犁溝區(qū)域的元素分布基本相同，成分接近鈦和鋁的氧化物（圖10（b））。這表明位移幅值為75μm 和100μm 時磨痕凹坑中心形成第三體氧化層。

圖8 不同位移幅值下原始及激光沖擊試樣磨痕全貌Fig.8 Overall view of wear scar of origin and LSP samples under different displacement amplitudes

圖9 位移幅值50μm 時LSP 試樣磨痕形貌Fig.9 Wear scar morphology of LSP sample at displacement amplitude of 50μm

圖10 位移幅值100μm 時LSP 試樣中心區(qū)形貌及EDS 成分分析Fig.10 Morphology and EDS composition analysis of central region of LSP sample at displacement amplitude of 100μm

圖11 為原始試樣和LSP 試樣在位移幅值75μm、100μm 下磨痕截面形貌圖。微動摩擦在試樣表面形成凹坑磨痕，凹坑上方存在明顯顆粒體組成的第三體層。磨拋制樣過程中，因沒有進(jìn)行表面保護(hù)，導(dǎo)致第三體層局部剝落。這種現(xiàn)象進(jìn)一步佐證了第三體層的存在和形成。另外，觀測發(fā)現(xiàn)LSP 處理影響磨痕凹坑邊緣與水平面（微動方向）的夾角。位移幅值為75μm 時，原始試樣表面剝落坑邊緣夾角約為50°，如圖11（a）所示；LSP 試樣的剝落坑邊緣夾角約為25°，如圖11（b）所示；位移幅值為100μm 時，原始試樣剝落坑邊緣夾角約為40°，如圖11（c）所示；而LSP 試樣剝落坑邊緣角度約為15°，如圖11（d）所示。試樣經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后，剝落坑與表面夾角減小。這是因為LSP 會在試樣表面引入殘余壓應(yīng)力層，殘余壓應(yīng)力的存在能夠減小裂紋萌生傾角[18]，小角度裂紋更容易到達(dá)表面，形成較淺的剝落坑，減輕疲勞磨損。在大位移幅值下，原始及LSP 試樣主要以磨粒磨損為主，根據(jù)Rabinowicz[19]提出的簡化模型可知，磨粒磨損的磨損量與工件的硬度有關(guān)，磨粒磨損程度隨著試樣的硬度增加而減小。LSP 處理使鈦合金表層顯微硬度提高近25%，其局部屈服強(qiáng)度也隨之提高，材料抗塑性變形能力和抗犁削性能增強(qiáng)，這能緩解磨粒磨損帶來的損傷[20-21]，減小磨痕深度，提高材料的耐磨性能。

圖11 大位移幅值下原始及激光沖擊試樣磨痕截面形貌 Fig.11 Cross-section morphology of wear scar of origin and LSP samples under large displacement amplitudes

3 結(jié)論

（1）TB6 試樣經(jīng)過LSP 處理后，表面粗糙度Ra從0.203μm 增加到0.321μm；表面顯微硬度從322HV 增加到400HV；表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力層，最大殘余應(yīng)力值（-650MPa）出現(xiàn)在試樣表面。

（2）當(dāng)位移幅值較小時（25μm 和50μm），試樣摩擦表面出現(xiàn)黏著凸體，LSP 試樣黏著程度更大，摩擦系數(shù)更高；當(dāng)位移幅值較大時（75μm 和100μm），試樣摩擦表面出現(xiàn)凹坑，LSP 試樣摩擦系數(shù)略低，磨損體積較小，LSP 處理提高了TB6 的抗微動磨損性能。

（3）當(dāng)位移幅值較大時（75μm 和100μm），磨痕中心出現(xiàn)由磨屑組成的第三體氧化層隆起。LSP 處理能減輕磨痕剝落坑坡度，緩解疲勞磨損，減輕磨粒磨損，有助于提高材料耐磨損性能。