Ti- 6Al- 4V钛合金是一种典型的α + β型两相钛合金 ,具有优异的综合性能。同时由于该合金具有比强度高的突出特点 ,在结构钛合金中始终占据着主导地位。Ti- 6Al- 4V钛合金广泛应用于航空航天、生物医药、船舶海洋、能源化工、车辆工程等领域 ,并已成为新工艺、新技术、新装备不可缺少的金属材料之一〔1～ 5〕。但Ti - 6Al - 4V的耐磨性较差 ,限制了其进一步的应用〔6～ 9〕。为了提高其耐磨性 ,国内外的科研工作者作了大量的研究 ,取得了许多成果。本文在分析Ti - 6Al - 4V磨损失效形式的基础上 ,就其表面耐磨处理技术的现状及研究进展做简要的评述。1 钛合金的磨损失效形式1.1 冲蚀磨损冲蚀磨损是指液滴、固体颗粒或多元流体 (即流体中含有固体粒子或液滴 )和固体相对运动时 ,对固体表面产生的磨损。在船舶海洋、航空航天等领域使用Ti - 6Al -4V钛合金所制造的结构件中 ,冲蚀磨损是其磨损失效的主要原因之一。例如潜艇等舰船上的泵、阀及管系 ,在使用过程中由于海水的多元流体性 ,其上的钛合金零部件的冲蚀磨损较为严重。再如飞机在低空飞行或在沙漠地区飞行时 ,发动机及压气机的叶片 ,常因叶片的叶身部位气流中固体颗粒的高速冲刷而遭受严重的冲蚀磨损 ,使叶片过早失效。徐滨士院士认为采用表面耐磨处理技术是材料抗冲蚀磨损较为有效的途径〔10〕。1.2 粘着磨损粘着磨损通常发生在两个承载的且相对滑动的表面上 ,是指由于粘着作用使材料由一表面转移至另一表面或脱落所引起的磨损。这种磨损发生发展十分迅速 ,容易使零件或机器产生突然事故 ,故愈来愈受到重视。Ti- 6Al- 4V对粘着磨损具有高度的敏感性。如在航空航天工业中 ,许多重大事故的罪魁祸首就是钛合金零件的粘着磨损 ,由于宇宙环境中氧比较稀少 ,氧化膜几乎不存在 ,所以粘着磨损是其重要的磨损形式之一〔11〕。再如用Ti - 6Al - 4V制作滑动部件 (如阀及导杆、活塞销和连杆轴等 )时 ,易与对磨材料粘着产生磨损〔8〕。同其他金属一样 ,润滑剂通常也被用于减轻Ti- 6Al- 4V的粘着磨损 ,且可获得较好的效果。但对于高承载的零部件 ,沿滑动面产生的高温和高压促使比较薄的润滑层分解〔9〕,在这种情况下或不适合采用润滑剂的场合 ,需考虑采用表面工程技术对其进行处理。1.3 微动磨损微动磨损是指两表面之间由于小振幅、 高频率的相对振动而产生的磨损。微动磨损不仅恶化表面质量、降低尺寸精度、使紧配合的零件产生松动,而且还会引起应力集中、形成微观裂纹、导致零件疲劳断裂〔9,12〕。例如在人体关节植入手术所用联接件多由Ti- 6Al - 4V合金制造 ,因人体活动产生微动磨损 ,引起联接件 (如骨盆钉 )的疲劳强度下降 ,致使其断裂而失效。同样 ,在其他场合中用该合金制造的受微幅振动作用的螺栓、铆钉、轴颈等都会发生较为严重的微动磨损。Ti- 6Al- 4V的微动磨损主要是疲劳破坏 ,其磨损量随温度升高而下降 ,高温微动磨损量与磨损区表面膜的厚度有关〔12 ,13〕。利用阳极氧化膜配MoS2 、石墨等固体润滑剂 ,是目前常用的解决钛合金微动磨损的方法 ,但对于较为严重的微动磨损效果不大 ,必须考虑能够制备较厚涂层的表面工程技术。1.4 腐蚀磨损腐蚀磨损是指化学或电化学反应在 摩擦副材料流失中起重要作用的磨损。它是材料受腐蚀和磨损综合作用的一种复杂的磨损过程。Ti-6Al- 4V钛合金具有很强的耐腐蚀性 ,这是其主要的优点之一 ,但也正因为此人们对其腐蚀磨损通常不很重视。其实这种合金在高温、高浓度及还原性介质中 ,耐腐蚀性能并不好。此外 ,在高温下使用该合金 ,氧化和氧脆也会导致其磨损的加剧 ,这是因为一方面钛合金氧化形成多孔的TiO2 膜 ,保护性能较差 ;另一方面氧会渗透到基体中与钛形成固溶体使合金的塑性明显下降〔14〕。为了满足钛合金越来越苛刻的使用工况 ,采用有效的表面耐磨处理技术来提高其抗腐蚀磨损性能 ,是强化Ti- 6Al- 4V钛合金的重要措施之一。2 钛合金表面耐磨处理技术磨损失效主要发生在“表面”上 ,而表面工程技术正是从表面着手 ,以多种方法制备出性能优异的表面功能层 ,从而有效地保护基体材料。结合众多高性能材料发展的历史 ,钛合金采用表面工程技术提高其耐磨性要比发展高耐磨的钛合金材料更加有意义。2 .1 电镀和化学镀电镀和化学镀是最早应用于钛合金表面耐磨处理的表面工程技术 ,通过在钛合金表面镀镍、镀硬铬、镀镍 -铬、镀镍 -磷等来提高其耐磨性。E .W .Truns在Ti- 6Al- 4V表面镀镍 ,实验发现降低了摩擦系数 ,减少了粘着现象〔15〕。本文作者在Ti - 6Al- 4V表面镀镍 -磷后 ,经 35 0℃晶化处理 ,其表面硬度获得很高值 ,耐磨性有所提高。这类处理技术成本低 ,工艺简单 ,容易实现。但结合强度一般不高 ,镀层较薄且湿镀较易产生氢脆。2 .2 热喷涂技术热喷涂技术通过在Ti - 6AL - 4V表面上形成Mo、以Al2 O3、Cr2 O3增强的钴基合金、TiC、TiO2 、Co-Cr-Mn以及弥散有硬质相的铁基、镍基、钴基硬质合金层来提高其表面耐磨性。这种方法具有沉积速度快、涂层较厚、固有的孔隙可截留润滑剂、成本低等优点 ,同时也存在着涂层表面较粗糙 ,界面不连续 ,结合强度不高等不足〔9,16〕。目前其研究主要集中在涂层和基体结合强度问题上。K .A .Khor等在HA(羟基磷灰石 )中加入YSZ(YttriaStabilizedZirconia)粉末 ,采用等离子喷涂方法在Ti- 6AL - 4V钛合金表面制备了复合生物活性涂层 ,在功率为 12kW、喷涂距离为 8.5cm的工艺条件下 ,涂层和基体的结合强度达 32N/mm2〔17〕。李晓泉等在钛合金表面等离子喷涂金属钼之后进行保温扩散处理 ,获得了致密的且基本无层状结构的涂层 ,同时发现界面处出现了较为明显的微冶金结合〔18〕。本文作者通过改进工艺在Ti - 6Al - 4V表面上喷焊 (火焰喷涂 +重熔 )镍基合金粉末F10 2 ,其横切面形貌如图 1所示 ,从中可以看出在基体和涂层之间出现了 2 0 0 μm～ 30 0 μm的扩散层 ,元素的充分扩散诱导形成了Ni-Ti共晶组织 ,涂层和基体的结合为典型的冶金结合。图 1 TI - 6Al- 4V喷焊F10 2涂层横切面SEM形貌Fig .1 SEMmicrographsofcrosssectionofF10 2coatingonTI- 6Al- 4Vbyspraywelding2 .3 化学热处理为了提高钛合金的耐磨性 ,常用的化学热处理方法有渗氮、渗硼、渗碳等。采用气体氮化和离子氮化工艺均能在钛合金表面形成一定深度的TiN或Ti2 N层 ,其表面硬度可达到HV12 0 0～HV16 0 0 ,且在 85 0℃以上的高温也具有良好的耐磨性〔14 ,19,2 0〕。文献〔12〕的研究表明 ,Ti- 6Al - 4V表面经离子氮化形成 2 2 5 .6 μm的氮化层 ,和未经处理的表面相比较 ,其磨损量减少了80 %。渗硼工艺是对钛合金表面进行渗硼处理 ,使其形成硼化物 ,利用钛的硼化物的硬度高、导热性好的特点来提高其表面的耐磨性。到目前为止 ,对于钛的渗硼处理 ,已试验了固体法、盐浴浸渍法、膏剂法、盐浴电解法等。经过硼化处理的钛合金 ,其耐磨性得到了不同程度的提高 ,其中钛合金经膏剂法渗硼处理后 ,其磨损量显著减少 ,摩擦系数不足未渗硼材料的一半〔8〕。潘俊德等采用了加弧辉光离子渗镀技术 ,通过在钛合金表面进行无氢渗碳 ,可使表面硬度提高数倍 ,摩擦系数大幅度降低 ,仅为 0 .0 8〔2 1,2 2〕。Taek -SooKim等采用等离子渗碳技术在Ti- 6Al - 4V钛合金表面获得了 15 0 μm的渗碳层 ,表面硬度由HV4 0 0提高到HV16 0 0 ,其耐磨性提高了两倍以上〔2 3〕。钛合金的化学热处理形成了由基体转化而来的梯度结构 ,不存在物理界面 ,故不需考虑膜基结合问题 ,但一般所获得改性层厚度较薄。2 .4 气相沉积采用气相沉积 ,在钛合金表面沉积TiC、TiN、TiCN、TiB2 、ZrB2 、类金刚石等膜层 ,同样可提高其耐磨性。李争显等人采用多弧离子镀膜机在钛合金表面获得黑色的TiCN膜层 ,表现出优良的耐磨性〔2 4〕。Dong -HwanKim等人采用等离子辅助化学气相沉积 ,在钛合金表面获得了类金刚石膜层 ,磨损试验表明在干摩擦的情况下其体积损失由 0 .4 6 7下降为0 .0 0 2 3耐磨性得到了显著的提高 ,且使用寿命 (以DLC膜层被破坏为依据 )达到了 92 0 0 0r〔2 5〕。此外文献〔2 6〕说明了Parylene聚合物气相沉积工艺在Ti- 6Al- 4V表面耐磨处理中应用的可行性。2 .5 离子注入离子注入是选用一种高能量离子束注入到材料的表面中 ,使材料表面成分和性能发生变化 ,是一种物理合金化过程。把离子种源B +、C +、N +、O +向钛合金注入 ,会相应地产生钛的硼化物、碳化物、氮化物和氧化物的硬质沉淀相 ,从而提高合金表面硬度和耐磨性。胡正琼等人对Ti - 6Al - 4V钛合金注入N ++N2 +之后 ,其摩擦系数降低了 77% ,磨损量减少了 2 2 % 〔2 7〕。文献〔2 8〕提出在一定条件下注入C +会在表面形成单一的类金刚石碳 (DLC) ,从而可以获得比注氮层摩擦系数更低 ,耐磨性更好的表面改性层。经这样处理的钛合金 ,表面硬度提高 4倍 ,在同种材料构
More abstracts about the 钛合金Ti-6Al-4V的磨损失效及其表面耐磨处理技术