钛合金抗微动损伤的研究进展_孙晓宾

第35卷 第3期2010年3月HEAT TREAT M ENT OF METALSV o l 35N o 3M arch 2010钛合金抗微动损伤的研究进展孙晓宾,骆心怡,郑 婷,崔 宏,张云露(南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京 210016)摘要:钛合金对微动磨损和微动疲劳非常敏感,严重限制其推广应用。

采用表面处理提高钛合金的抗微动损伤性能获得了良好效果。

本文综述了表面涂覆技术、表面改性技术和复合表面处理技术等提高钛合金的抗微动损伤性能的研究进展,概述了表面处理提高钛合金微动损伤的机理,并展望了其未来的研究重点。

关键词:钛合金;抗微动损伤;表面处理中图分类号:TG166 5 文献标志码:A 文章编号:0254 6051(2010)03 0083 05R esearch progress i n fretti ng resistance techno l ogy of titaniu m all oysS UN X iao bi ng ,LUO X i n y i ,Z HENG T i ng ,C U I H ong ,ZHANG Y un lu(College o fM ater i a l Sc i ence and T echnology ,N anji ng U n i versity o f A eronautics and A stronauti cs ,N an jing Ji angsu 210016,Ch i na)Abstrac t :The f urther appli cation o f titani um a lloys i s severity li m ited ow i ng to its i nherent shortcom ings s uch as sensiti v e t o fretti ng wear and fretting fati gue Sur f ace treat m ent ,w hich i m proves fretti ng resi stance o f titaniu m a ll oy eff ec ti ve l y ,has been pa i d m uch atten tion The resea rch prog ress i n i m prov i ng fre tti ng resistance o f titani um all oy by surface coating ,surface m odifica ti on and co m plex surface treat m ent is rev i ew ed ,and t he m echan is m i m prov i ng fre tti ng resistance by surface treat m ent ,and pred icts pivot o f research areas in t he f uture a re a lso su mm ar ized K ey word s :titan i u m a lloys ;fretti ng resi stance ;surface treat m ent收稿日期:2009 09 20基金项目:航空基金(2007ZE52057)作者简介:孙晓宾(1984 ),男,河南安阳人,硕士研究生,研究方向为金属材料的表面处理。

E m ai:l sunxiaob i ng194@163 co m,通讯作者:骆心怡,副教授。

钛是继钢、铝、镁之后21世纪的新型金属。

从20世纪50年代,钛合金作为一种结构金属发展至今,已在诸多领域得到了很好的应用。

但是钛合金摩擦系数大,尤其对微动磨损和微动疲劳损伤十分敏感,限制了其进一步的应用。

据报道,钛合金由于微动作用使其疲劳寿命降低高达20%~50%[1],而工业上使用的钛合金零件中,有相当一部分在微动条件下工作,特别是在航空航天工业中钛合金微动损伤尤其严重,据估计飞机结构破坏中涉及微动损伤的比例高达90%[2],这使微动损伤问题变得十分突出。

因此,对于钛合金微动损伤防护技术的研究成为国内外发展高性能航空发动机的重要研究方向之一。

近年来,国内外研究者围绕提高钛合金抗微动损伤性能开展了大量表面处理技术研究工作,并取得了很大进展。

本文综述了表面涂覆技术、表面改性技术和复合表面处理等提高钛合金的抗微动损伤性能的研究进展,概述了表面处理提高钛合金微动损伤的机理,并对未来的研究重点进行展望。

1 提高钛合金抗微动损伤的研究现状钛合金的抗微动性能差,易发生微动损伤,主要与它的电子层、晶体结构和热传导率有关。

钛电子层中d bond 很低,仅27%,且活性很高,极易与其它元素化合[3],磨损过程中易发生氧化[4 6]。

处于室温的 T i是六方结构,c /a =1 588,比理想值1 633小很多,致使{100l}面更易滑移,故易发生粘着[7 9]。

而钛的热传导率小,易导致一般润滑剂的失效[10]。

可见,钛合金抗微动损伤性能差主要是由其本质决定的。

采用表面处理是提高钛合金抗微动损伤性能经济有效的方法,因此长期以来国内外学者进行了大量深入的研究,并取得了巨大进展。

目前大部分表面处理技术都应用到了钛合金上,如金属电镀[11]、激光表面处理[12]、等离子喷涂[13]、有机涂层[14]、干膜润滑层[15]等。

各种方法不同程度地提高了钛合金的抗微动损伤性能,但也都有一些局限性。

最近关于采用表面处理技术来提高钛合金抗微动损伤的研究可以归纳于以下三个方面:表面涂覆技术、表面改性技术和复合表面处理技术。

1 1 表面涂覆技术表面涂覆技术是应用较早的一项表面处理技术,至今仍发挥着重要的作用。

在钛合金抗微动损伤中,传统的表面涂覆技术有物理气相沉积、化学气相沉积、热喷涂、粘涂等。

但是采用传统的涂覆技术制备的涂层存在与基体结合强度弱、厚度薄、损害基体的常规性能等缺点。

为了更好地发挥涂层的优点,克服其缺点,84 第35卷长期以来国内外学者对涂层制备工艺和涂层材料选择进行了大量深入的研究,取得了一些进展。

非平衡磁控溅射技术是由磁控溅射技术发展起来的,它克服了磁控溅射溅射作用范围小和绕镀性差的问题,可以得到高质量的沉积涂层。

张晓化[16]等通过非平衡磁控溅射技术在T i811钛合金表面制备了M oS2/T i复合薄膜,该膜层致密度高、晶粒细化,且孔隙率低。

进一步研究发现膜与基体结合强度大于100 N,且M oS2/T i有很好的润滑效果,降低了摩擦系数,使微动疲劳寿命提高了45%,但对抗微动磨损性能的改善不明显。

用爆炸喷涂技术提高钛合金表面的抗微动磨损和微动疲劳性能取得了良好的效果。

爆炸喷涂具有结合强度高、涂层致密、耐磨性高、硬度高、粗糙度低、工件热损伤小、容易控制等优点[17]。

黄鹃鹏[18]等在T i A l Z r 钛合金表面爆炸喷涂得到W C 25Co涂层,研究发现钛合金的微动区域由基体的部分滑移区、混合区、滑移区变为涂层的部分滑移区和滑移区,消除了混合区,即爆炸喷涂W C 25Co涂层改变了T i A l Z r合金的微动运行区域。

这样减少了粘着磨损,大大降低了微动磨损量。

且该涂层的摩擦系数对温度不敏感,抗微动磨损性能随着温度上升而稍有增强。

GrillA[19]等利用射频等离子体增强化学气相沉积法在钛合金表面制备类金刚石薄膜,结果表明,该膜显著提高了钛合金表面的硬度和微动磨损性能。

但是膜中钛含量超过9%时,膜的硬度将会下降且膜和基体结合力强度有限。

钛合金抗微动磨损和微动疲劳涂层材料也可以在较宽的范围内进行选择。

A12O3 13%T i O2涂层、Cr2O3涂层、WC 12%Co涂层等在提高钛合金微动磨损性能上都取得了一定的效果,但是对钛合金的微动疲劳和常规疲劳性能却有不利影响[20]。

为了更好地提高涂层的综合性能,国内外学者研究了多种复合涂层材料。

如C H H ager等[21]在钛合金表面通过等离子喷涂得到N i和CuN iIn复合涂层,发现CuN iIn和N i涂层混合使用后有优异的性能,在100000循环试验中,微动磨损量减少了80%,并且CuN iI n涂层几乎没有破坏。

这是因为N i涂层是软基体,有一定的润滑作用,与CuN iI n配合使用能够减少对基体的伤害,并且提高了表面的硬度,因此其抗微动磨损能力大大提高。

H yukjae Lee[22]等通过等离子喷涂使T i6A l4V钛合金表面形成Cu A l合金复合涂层,研究结果表明该合金层提高了其表面硬度,使其耐磨性能大大提高。

且该涂层与基体结合良好,微动疲劳寿命也得到一定程度的提高。

M iyoshi等[23]发现DLC T i T i x C y D LC功能梯度纳米复合涂层也可以明显降低钛合金的微动损伤程度。

A L H u tson等[24]等通过电刷镀在钛合金表面上形成Cu N i合金复合涂层,其抗微动疲劳寿命可以提高20%~50%,但是对其抗微动磨损性能的提高却不是很大。

1 2 表面改性技术表面改性是改善工件表面层的机械、物理或化学性能的处理方法。

钛合金通过表面改性以提高其抗微动损伤所用的方法主要有表面形变强化、表面相变强化、离子注入、表面扩散渗入等。

但是传统的表面改性技术制备的表面改性层存在使用寿命短,改性层薄,在磨损过程中容易被破坏等缺点。

因此,为了在钛合金表面得到更优异的表面改性层,最大限度地提高钛合金的抗微动损伤性能,国内外学者进行了深入的研究。

戴震东等[25]研究了面扫描激光淬火对钛合金微动磨损性能的影响。

结果表明,面扫描激光淬火后,钛合金的微动疲劳寿命提高了12 3倍;表面晶粒细化为球状微晶,由表面向内层形成多层梯度结构;摩擦系数降至原来的1/3~1/5,显微硬度提高了2 8倍。

该技术是激光淬火的一种突破,有广阔的发展前景。

范爱兰[26]、李秀艳[27]等通过双层辉光等离子表面冶金技术[28 31]使钛合金表面形成M o N合金改性层,研究表明,与基体相比,该改性层摩擦系数显著降低,从0 9左右降至0 4左右。

磨损量明显减少,磨损体积为基体的1/174。

通过对其形貌观察表明,表面没有裂纹、剥落和粘着等现象发生。

这主要是因为表面形成的M o N合金层覆盖了钛合金基体,从而防止了表面氧化生成T i O2。

并且生成的合金层有较强的硬度,防止了粘着,降低了摩擦系数。

唐 宾[32]等进一步分析指出,在T i6A14V钛合金表面渗M o N后,表面形成硬度和弹性模量都很高的M o N改性层,与一般表面沉积的M o N层不同,它与基体之间属于冶金扩散层结合,T i6A14V基体对表面的M o N改性层有很好的支撑作用,提高了改性层与基体间的结合强度;同时,M o N改性层硬度呈梯度分布,即由基体至表面硬度逐渐升高,有效提高了T i6A14V钛合金的抗微动磨损性能。