钛合金摩擦磨损性能研究进展

TC4钛合金激光熔覆TiC+M涂层组织和耐磨性能研究

类对ＴＣ金属陶瓷激光熔覆层组织、度和耐磨性能ｉ硬
的影响，旨在为钛合金表面激光熔覆涂层材料的选择
奠定基础。
ＮＣＢｉ光熔覆层的对比研究，示了粘结金属种ｉｒＳ激揭
透射电镜分析熔覆层的微观组织。利用ＨＤ１０Ｘ一００型显微硬度计测量熔覆层的硬度。利用ＹＨＢＴＴ．１０型销一式摩擦磨损试验机测试熔覆层的磨损性０盘能，为多道搭接的激光熔覆试样，寸为９ｍ × 销尺ｍ１ｍ摩擦表面经磨削加工，糙度Ｒ５ｍ，粗＜０２Ｌ，．ｔｎ盘ｉ为ＹＳ硬质合金（９５Ｒ，寸为＃０ｍ × ＧＢ８．ＨＡ）尺４ｍ
覆层的组织是在ｙＮ树枝晶和ｙＮ＋Ｍ，ｃ）－ｉ－ｉ（ａ共晶的基体上分布着细小的Ｔｃ颗粒和Ｔｃ树枝晶。ｉｉ
ＴＣ＋ｉ光熔覆层的显微硬度在５Ｏ～７０Ｖ之间，量磨损率约为Ｔ４合金的１；ｉｉＴ激Ｏ０Ｈ质Ｃ１ＴＣ＋ＮＣＢｉ３ｉｒＳ激光熔覆层的显微硬度在９０１０Ｖ之间，量磨损率约为Ｔ４合金的１１。Ｏ～ｌ０Ｈ质Ｃ／０关键词：合金；激光熔覆；ＴＣ金属陶瓷涂层；微观组织；耐磨性能钛ｉ中图分类号：Ｇ５．９Ｔ１６５Ｔ１６９；Ｇ６．文献标识码：Ａ文章编号：１０ —２４２０）１０６００９６６（０６０ — ９ —４０

钛合金的摩擦磨损性能及其改善方法

第 40 卷第 3 期
有色金属材料与工程
NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERING
Vol. 40 No. 3 2019
文章编号：2096 − 2983(2019)03 − 0049 − 06
DO9
50
有色金属材料与工程
2019 年第 40 卷
合金表面硬度和塑性剪切抗力较低；（ 2）钛合金表面加工硬化能力差；（ 3）钛合金摩擦磨损过程中产生的磨屑很容易碎化和去除，对钛合金基材表面不具有保护作用。
随着钛合金应用领域的不断扩大，与钛合金摩擦磨损性能相关的问题也越来越多，为了改善钛合金的摩擦磨损性能，进一步扩大其应用范围，对其摩擦磨损机制的研究是钛合金未来研究的重点。
钛合金的摩擦磨损性能及其改善方法
应扬，李磊，赵彬，贾蔚菊，李思兰，赵永庆
（西北有色金属研究院，陕西西安 710016）
摘要：钛合金是航空航天等领域不可替代的重要材料，但摩擦磨损性能的不足限制了其在更广泛工况下的使用。介绍了关于钛合金摩擦磨损性能的传统认识和新的研究进展，综述了有关钛合金磨损机制和摩擦磨损性能的研究成果；总结了改善钛合金摩擦磨损性能的 3 类常用表面处理方法，即表面改性技术、表面合金化技术和表面涂镀技术；指出了当前钛合金磨损研究和性能改善方面存在的问题及提高钛合金耐磨性的研究方向。
钛合金摩擦磨损的外部影响因素主要指载荷、环境气氛、对磨速度、温度和配副材料等。 1.1.1 载荷
Zhong 等 [1] 对 Ti-20Zr-6.5Al-4V 合金进行了不同载荷下的真空干摩擦性能测试。结果表明，摩擦因数随着载荷的增大而增大，同时磨痕加深，磨损体积增加（如图 1 所示）；主要磨损机制由 10 N 下的轻微黏着磨损和严重磨粒磨损转变为 30 N 下的严重塑性变形和剥层磨损；且不锈钢球上存在一层来自 Ti-20Zr-6.5Al-4V 合金的转移层，随载荷的增大，该转移层逐渐变平滑，且厚度增加。刘勇等[2] 对不同载荷下 TC4 钛合金的磨损情况进行了测试，结果表明，随着载荷的增大，TC4 钛合金的磨损率呈增大趋势，可见 TC4 钛合金的磨损率与其承载的载荷呈正向相关。 1.1.2 环境气氛

钛合金表面耐磨性能及抗氧化性能的研究现状

钛合金表面耐磨性能及抗氧化性能的研究现状韩杰阁;陈蔚泽;张浩;黄安国【摘要】钛合金具有密度小、质量轻、比强度高、比刚度高、良好的耐腐蚀性和耐热性、塑韧性好以及优良的加工性等优点,广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、体育器械及生物医疗等众多领域.但钛合金摩擦系数大、易黏着、耐磨性能差、高温(700℃)条件下氧化严重、不易润滑等缺点,大大限制了钛合金的应用和发展.介绍激光熔覆、磁控溅射、离子注入等常见的钛合金表面改性技术的研究现状,指出各种改性技术对钛合金耐磨性能、高温抗氧化性能的改善效果,并探讨各种改性技术的优缺点.在此基础上提出综合提高钛合金耐磨性和高温抗氧化性的新思路并展望其发展前景.%Titanium and its alloys have broad applications in aerospace,transportation,petrochemical industry,sports equipment and bio-medical due to their excellent material properties such as low density,high specific strength and rigidity,excellent thermal and corrosion resistance,specific stiffness and high fatigue.However,its shortcomings are also obvious:its large friction coefficient,stick easily,poorly wear resistance,not lubricate and serious oxidation under the high temperature (700 ℃) conditions,which have greatly limited the application and development of titanium alloy.This paper introduces the research status of laser cladding,magnetron sputtering,ion implantation and other common titanium alloy surface modification technology.Points out the improvement of each modification technology on the wear resistance and high temperature oxidation resistance of titanium alloy,and discusses their advantages and disadvantages.On this basis,a new idea of compositeimproving the wear resistance and high temperature oxidation resistanceof titanium alloy is put forward and prospected its development prospect.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2017(047)003【总页数】6页(P73-78)【关键词】钛合金;耐磨性;高温氧化性;表面改性技术【作者】韩杰阁;陈蔚泽;张浩;黄安国【作者单位】华中科技大学材料成型与模具设计国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学材料成型与模具设计国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学材料成型与模具设计国家重点实验室,湖北武汉430074;华中科技大学材料成型与模具设计国家重点实验室,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TG457钛合金具有比刚度、比强度高，耐腐蚀性、耐热性和塑韧性好以及加工性优良等优点[1-4]，已成为应用于航空航天、交通运输、石油化工和生物医学等领域[5-6]的重要材料，在尖端学科与高新技术方面占有重要的地位。

两种热处理钛合金的摩擦磨损性能

机理，为钛合金在磨损条件下的应用提供理论指导．
１实验部分
１１实验材料．
摩擦磨损材料为Ｔ４钛合金，Ｃ其密度为４４．５ｇ・ｃ ’熔点为１６０℃．ＴＣｍ＿，６４钛合金原材料用电火
花线切割加工成磨损试样， ×ｚ５ｍｍ×２５：ｂ０ｍｍ．ＴＣ４钛合金试样热处理状态：种为原料供货时的热轧一
中图分类号：ＴＨ１７１１．
钛合金具有很高的比强度，航空和航天领域得到广泛应用，作为飞机和航天器的主要结构材在常料．近年来，］由于钛合金具有良好的耐腐蚀性、温热稳定性以及低温性能，高其在石油和化工等领域的应用逐渐扩大，始用作热交换器、开反应塔、汽透平机的叶片、蒸阀门、、道等腐蚀或特殊温度条件下的泵管结构材料．在钛合金中，以牌号ＴＣ（４国际牌号Ｔ一６一４的应用最为广泛，量约占现有钛合金生产ｉＡｌＶ）用量的一半．Ｔ４钛合金不仅具有良好的室温、温和低温力学性能，Ｃ高且在多种腐蚀介质中具有优异的耐蚀性，时可焊接、同冷热加工成形．目前，ＴＣ对４钛合金的性能研究主要集中在成形加工＿、织分析一２组和
退火状态，硬度为ＨＲ３；Ｃ１一种为经过固溶（冷）加时效强化热处理，度为ＨＲ４．对试样和磨盘水再硬Ｃ２

【论文】钛合金表面等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层性能的研究

摘要钛合金的高温力学性能及热物理性能均不理想。

钛合金耐磨性差，摩擦系数高，在高温下抗氧化性差，从而限制了其进一步广泛应用。

本文采用等离子体喷涂技术在钛合金表面制备Cr2O3陶瓷涂层，改善钛合金表面的硬度及摩擦性能，找出实验工艺与性能的关系。

本实验利用显微硬度仪测定了Cr2O3陶瓷涂层的显微硬度；采用X射线衍射法（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）研究了Cr2O3陶瓷涂层的相结构以及表面形貌特征；利用高速往复摩擦磨损实验机测试了等离子喷涂前后试样的耐磨性能。

实验结果表明：用钛合金等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层的显微硬度显著提高，最高硬度达到HV1500，陶瓷涂层的耐磨性能明显改善。

关键词：钛合金，等离子喷涂，硬度，耐磨性能AbstractHigh-temperature mechanical properties of titanium alloy and thermal physical properties are not ideal. Its poor wear resistance, high friction coefficient and poor anti-oxidation in high temperature conditions, all of these limit its wide application. In the paper, the Cr2O3 ceramic coating was formed on the surface of titanium alloy by the plasma-sprayed technology. By the coating, hardness and wear-resistance property of the alloy’s surface were absolutely improved. And at the end of the experiment, the relation of experimental technique and samples’ performance was found.The microhardness of the ceramic coatings was measured by microharness tester. X-ray diffraction (XRD) and scanning electronic microscope (SEM) were used to study the phase construction,the morphology and wear resistance of the ceramic coating was measured by high-speed reciprocating friction and wear testing machine.The result shows that XRD detects that Cr2O3 was the only component of coating on the surface of titanium alloy. The maximum harness is HV1500, the harness and friction property of the surface of titanium alloy was improved greatly.Key words: titanium alloy, plasma spraying, hardness, friction properties目录第一章前言 (1)1.1 钛合金的概述 (1)1.1.1 钛合金的性能 (1)1.1.2钛合金的应用与发展趋势 (3)1.2 热喷涂技术 (6)1.2.1 超音速等离子喷涂技术 (6)1.2.2 反应热喷涂技术 (7)1.2.3 电弧喷涂技术 (8)1.3 等离子喷涂技术 (8)1.4 本实验的主要研究内容 (9)第二章实验材料、实验设备 (10)2.1 实验材料 (10)2.1.1 基体材料 (10)2.1.2 试样的制备 (11)2.2 实验设备 (11)2.2.1 预磨机 (11)2.2.2 金相试样抛光机 (11)2.2.3 金相镶嵌机 (12)2.2.4 摩擦磨损检测仪 (12)2.3 实验工艺 (12)2.3.1等离子喷涂的实验工艺 (12)2.3.2 等离子喷涂的实验装置 (13)2.3.3实验前后试样比较 (15)第三章等离子喷涂Cr2O3陶瓷层的形貌、显微组织以及分析、硬度分析 (16)3.1等离子喷涂Cr2O3陶瓷层的形貌及显微组织分析 (16)3.1.1 实验设备 (16)3.1.2 实验试样的扫描电镜分析 (16)3.2 等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层的XRD 分析 (20)3.2.1 X射线衍射的物相分析原理 (20)3.2.2 等离子喷涂涂层XRD结果及分析 (21)3.3 等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层的硬度分析 (22)3.3.1 检测所用的设备 (22)3.3.2 显微硬度仪的原理 (23)3.3.3硬度检测实验结果 (23)第四章等离子喷涂Cr2O3陶瓷层摩擦学性能分析 (31)4.1 摩擦学的论述 (31)4.1.1摩擦机理 (31)4.1.2 影响滑动摩擦的因素 (32)4.2 等离子喷涂Cr2O3陶瓷层的耐磨性检测 (32)4.2.1检测装置 (32)4.2.2摩擦系数测试原理 (34)4.3 往复摩擦试验结果及分析 (34)4.3.1 往复摩擦试验的图片分析 (34)4.3.2 往复摩擦实验的曲线分析 (36)第五章技术经济分析报告 (45)第六章结论 (46)参考文献 (47)致谢 (49)声明 (50)第一章前言1.1 钛合金的概述1.1.1 钛合金的性能钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。

钛合金摩擦磨损及改善技术的研究进展

钛合金摩擦磨损及改善技术的研究进展作者：余成君来源：《现代盐化工》2020年第03期摘要：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，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、摩擦磨损性能较差，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。

TC21钛合金的高温微动磨损行为研究

TC21钛合金的高温微动磨损行为研究丁燕;柏林;薛超凡;王运动;陈光明;于敏;戴振东【摘要】采用高精度FTM高温微动磨损试验机研究TC21钛合金在150 ℃下的微动磨损行为.分析温度对摩擦系数及磨损率的影响;通过扫描电镜和能谱等方法研究钛合金 TC21在高温下磨痕形貌的变化情况、成分的变化和磨损机理.实验结果表明:温度对钛合金TC21摩擦系数的影响与微动位移有关,位移越小,温度对其影响越小;温度为150 ℃时,磨损量较室温降低了67.4% ~86.5%;磨损机理在常温下以磨粒磨损为主,并存在氧化磨损和粘着磨损,在150 ℃下以氧化磨损为主,伴随少量的磨粒磨损和粘着磨损.%The fretting wear characteristics of TC21 alloy are studied by using the FTM wear testing ma-chine at the elevated temperature of 150 ℃.The influence of temperature on friction coefficient and wear ratio is analyzed.Moreover,the changes of morphology and chemical elements on wear scar and the wear mechanism of TC21 alloy are discussed by the means of scanning electron microscope,energy dis-persive spectrometer.The results show that the influence of temperature on the friction coefficient of TC21 alloy is affected by the displacement.The displacement is small and the temperature has little effect on the friction coefficient of TC21 pared with the room temperature,the wear rate is decreased 67.4% —86.5% at 150 ℃.The primary wear mechanism of TC21 alloy is mainly abrasive wear,along with oxidation wear and adhesive wear at the room temperature,and that is oxidation wear at the temperatures of 150 ℃,along with a little abrasive wear and a dhesive wear.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2018(050)001【总页数】5页(P126-130)【关键词】TC21钛合金;高温;微动磨损【作者】丁燕;柏林;薛超凡;王运动;陈光明;于敏;戴振东【作者单位】南京航空航天大学航天学院,南京,210016;中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,兰州,730000;中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所,成都,610041;南京航空航天大学航天学院,南京,210016;南京航空航天大学航天学院,南京,210016;南京航空航天大学航天学院,南京,210016;南京航空航天大学航天学院,南京,210016;南京航空航天大学航天学院,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TH117.1TC21钛合金是中国自主研制的在中等温度使用的α+β两相钛合金，是在美国Ti-6-22-22S基础上开发的[1,2]。

航空用损伤容限型钛合金研究与应用

航空用损伤容限型钛合金研究与应用引言航空领域对材料的要求非常高，尤其是在结构件和发动机部件中，材料需要具备损伤容限性能。

损伤容限型钛合金由于其良好的机械性能和高温性能，成为航空领域中的理想材料。

本文将对损伤容限型钛合金的研究和应用进行全面的探讨和分析。

损伤容限型钛合金的定义损伤容限型钛合金是指具备在受到外界力量影响下能够承受一定程度损伤而不失去正常功能的特性。

这种特性主要体现在其抗裂纹扩展、抗疲劳性能和高温热稳定性上。

损伤容限型钛合金在航空领域中的重要性日益凸显。

损伤容限型钛合金的抗裂纹扩展性能损伤容限型钛合金的抗裂纹扩展性能是其重要的损伤容限性能之一。

它能够通过对裂纹进一步扩展前的止裂能力来衡量。

目前，常用的评价指标是K_IC值。

损伤容限型钛合金的抗裂纹扩展性能决定了其在航空应用中对裂纹扩展的抵抗能力。

损伤容限型钛合金的抗疲劳性能损伤容限型钛合金的抗疲劳性能在航空领域中尤为重要。

由于航空器的工作环境较为恶劣，材料容易受到交变载荷的损伤。

损伤容限型钛合金通过其优异的抗疲劳性能，延缓裂纹扩展速度，提高材料的寿命。

损伤容限型钛合金的高温热稳定性航空发动机运行温度较高，要求材料具备良好的高温热稳定性。

损伤容限型钛合金在高温条件下能够保持稳定的力学性能和化学性能，不失效、不变形，确保发动机的正常工作。

损伤容限型钛合金的研究进展损伤容限型钛合金的研究一直是航空材料领域的热点。

近年来，随着材料科学和工程的发展，研究人员通过改变合金元素、优化热处理工艺和表面处理等手段，不断改善了损伤容限型钛合金的性能。

改变合金元素的研究研究人员通过改变损伤容限型钛合金的合金元素组成，尝试引入新的合金元素，以提高材料的性能。

例如，添加微量的稀土元素可以提高钛合金的抗氧化性能和高温强度。

优化热处理工艺的研究热处理工艺对损伤容限型钛合金的性能有着重要的影响。

研究人员通过改变热处理工艺的温度、时间和冷却速率等参数，优化材料的组织结构和相变行为，提高材料的性能。

TC11钛合金TiAlSiN涂层微织构表面脂润滑摩擦性能研究

机械工程TC11钛合金TiAlSiN 涂层微织构表面脂润滑摩擦性能研究徐上1，华希俊1*，解玄1，徐金峰3，尹必峰2，张加力1（1. 江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013；2. 江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013；3. 江苏西希维轴承有限公司，江苏镇江 212013）摘要：研究了激光微织构处理后材料表面覆盖TiAlSiN 涂层在脂润滑条件下的摩擦磨损性能。

使用声光调Q二极管Nd：YAG 激光器在TC11钛合金表面进行织构化处理。

使用磁控溅射设备在织构后表面加镀覆TiAlSiN 涂层。

通过Rtec 通用摩擦磨损试验机考察涂层织构在脂润滑条件下的摩擦磨损性能。

通过加工不同密度研究织构形貌参数对摩擦性能的影响。

研究结果表明：在室温滑动摩擦条件下TiAlSiN 涂层能够保护基体减小磨损，表面织构能够进一步减小摩擦系数。

在织构密度为30%时摩擦系数最小。

关键词：激光微织构；TiAlSiN 涂层；滑动摩擦；TC11钛合金Laser Texturing of TiAlSiN Film Coatings and its Tribological Performance under Grease Sliding FrictionXU Shang 1, HUA Xi-jun 1*, XIE Xuan 1, XU Jin-feng3, YIN Bi-feng 2, ZHANG Jia-li 1(1. School of Mechanical Engineering of Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 2. School of Automotive and Traffic Engineering of Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China; 3. Jiangsu CCVY Bearing Co.,Ltd., Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)Abstract : Studied the tribology performance of TiAlSiN coated and laser textured surface under grease lubrication. TC11surface was textured by Nd: YAG laser. The tribology performance of samples was measured by Rtec tribometer after using magnetron sputtering to process TiAlSiN coating. The study find that textured TiAlSiN coating can protect TC11 substrate from surface wear and reduce friction coefficient. Samples get minimum friction coefficient under 30% texturing density.Key words ： Laser texturing; TiAlSiN coating; Sliding friction; TC11 alloy0　引言钛合金因其具有高强度、低质量、良好的耐腐蚀性等优势被广泛应用于航空、航海、化学工业等领域[1,2]。

TA2钛合金表面A1203／石墨自润滑沉积层的制备及其摩擦学性能研究

积层的摩擦磨损性能。结果表明，通过在电解液中添加适量的石墨，利用ＰＥＤ技术可在ＴＡ２钛合金表面制备由０【一Ａ１Ｏ、一Ａ１：Ｏ和石墨相组成的复合沉积层。与ＴＡ２钛合金以及不含石墨的Ａ１Ｏ沉积层相比，Ａ１０／石墨复合沉积层的摩擦系数显著降低，磨损率随之减小，具有良好的减摩抗磨性能。关键词：阴极液相等离子体电解沉积；ＴＡ２钛合金；氧化铝；石墨；自润滑
×３０ａｍ ×３ｒｍｍ的样品。样品用砂纸打磨抛光后，
１实验部分
再经丙酮溶液和去离子水清洗、干燥，然后放入预先
配制好的电解液中进行ＰＥＤ处理。ＰＥＤ处理所用
的电解液分别为未添加和添加石墨微粒的含Ａｌ
钛（Ｔｉ）及钛合金相对于其他金属材料比强高，密度小，在海水和海洋中耐蚀性好，是在汽车、船舶、航空航天等领域中广泛应用的重要结构材料。但钛及钛合金的摩擦系数大，尤其是高温条件下抗磨性
Ｍｇ，Ｆｅ等）表面沉积陶瓷氧化膜的新技术，可以按照所需改变沉积成分。它是将待处理的金属试样作为阴极置于硝酸盐电解液中，通过在试样与辅助电极问施加一定的电压，使试样表面附近析出的ＴＡ２钛合金样品经线切割加工成尺寸为２０ｍｍ

钛及其合金的扭动微动摩擦磨损特性

ｔｔｎｕｎｔｌｙｉａｉｍａｄｉｓａｌｏ
ＨＥＬ－ｉｇＬＮｕｚｏ，ＡＩｈｎｂｎ，Ｈｉｎ，１ＸｉｈｕＣｅ－ｉｇＺＡＮＧＱａｇＺｎｈｏｐ・Ｚｉ，ＨＵＭｉ－ａｎ（ｒｏｏｙＲｓａｃｓｔｔ，ｒｃｏｏｒｔｔＫｙＬｂｒｔｒ，ｏｔｗｓＪｏｏｇｉｅｓｙＴｉｌｇｅｅｒｈＩｔｕｅＴａｔｎＰｗｅａｅｅａｏａｏＳｕｈｅｔｉｔｎｖｒｉ，ｂｎｉｉＳｙａＵｎｔ
第２２卷第１期
Ｖ１２Ｎｏ１ｂ．．２
中国有色金属学报
ＴｈｅＣｈｉｅｅＪｕｎｌｆｎｅｒｕｅａｓｎｓｏｒａｏＮｏｆｒｏｓＭｔｌ
２１０２年１月
Ｊｎ２１ａ．０２
文章编号：１０ —６９２１）—０９００４００（０２１９ｉｎ，ｅｄａｅｃａａｔｒｓｉｓｏｌｙｈｈｔｔｃｏｅａｎｔｏｓｔａｇｈｒｃｅｔｆｌｓｍｈｍｉｃａｏＴＣ４ａｄＴｒｌｏｄｓｕｓｄＴｅｒｓｌｄｃｔＡ２ｗｅｅａｓｉｃｓｅ．ｎｈｅｕｔｉｉａｅｓｎ
Ｔ４合金与ＺＯ对磨球的扭动微动试验。在摩擦动力学行为研究的基础上，结合磨痕形貌微观分析，考察ＴＣｒ２Ａ２和Ｔ４合金的扭动微动磨损特性。结果表明：可用摩擦扭矩一角位移曲线和摩擦扭矩时变曲线表征合金的扭动微Ｃ动行为，获得了Ｔ２和Ｔ４合金的扭动微动运行工况微动图，Ｔ２合金的混合区较Ｔ４合金的宽。摩擦扭矩随ＡＣＡＣ法向载荷和角位移幅值的增加而增加，在相同试验条件下，Ａ２合金的摩擦扭矩始终大于Ｔ４金的。在部分滑ＴＣ合移区，损伤轻微；在混合区和滑移区，损伤加剧，扭动微动摩擦磨损机制主要为磨粒磨损、氧化磨损和剥落。

TA15_钛合金高温摩擦磨损性能研究

第52卷第10期表面技术2023年10月SURFACE TECHNOLOGY·151·TA15钛合金高温摩擦磨损性能研究刘彬1，李晟1，毛玉刚1，李鹏飞1*，李亮亮2,3，孟宪凯1，王赛兰1，吴嘉诚1（1.江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013；2.吉林大学机械与航空航天工程学院，长春 130025；3.沈阳飞机工业（集团）有限公司创新研究院，沈阳 110000）摘要：目的为探究TA15钛合金高温耐磨性能的潜力，研究了TA15钛合金在室温~800 ℃下的摩擦磨损性能。

方法利用Rtec摩擦磨损试验机（Rtec，San Jose，USA）进行TA15钛合金的摩擦磨损性能测试，通过激光共聚焦显微镜、JSM-7800F扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）等手段，分析了TA15钛合金在不同温度下的磨痕形貌、成分变化以及磨损机理。

结果在不同试验温度下，微观组织没有出现明显变化，主要为等轴α相和β相；不同温度下的摩擦因数波动不大，从室温的0.279下降到600 ℃的0.224，而在800 ℃时，表面严重氧化导致摩擦因数增大到0.309；在室温~400 ℃时，试样表面磨痕不断变窄变浅，犁沟和磨屑不断减少，而到400 ℃以上时磨痕逐渐变宽，比磨损率也大幅增大，且在600 ℃时的磨损量最大；在600 ℃时，以氧化磨损为主，并伴随着磨粒磨损和黏着磨损，且表面磨痕形貌和宽度比较均匀；在800 ℃时磨损表面以黏着磨损和氧化磨损为主，并伴随着高温焊接的发生。

结论TA15合金表面的O元素含量随温度的升高而逐渐升高，并且氧化反应主要发生在β相内。

随着试验温度的升高，TA15钛合金磨损表面的氧化磨损现象也更加明显。

关键词：TA15钛合金；高温性能；磨损机理；氧化磨损；摩擦因数中图分类号：TG147 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)10-0151-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.10.011Tribological Properties of TA15 Titanium Alloyat Different High TemperaturesLIU Bin1, LI Sheng1, MAO Yu-gang1, LI Peng-fei1*, LI Liang-liang2,3,MENG Xian-kai1, WANG Sai-lan1, WU Jia-cheng1(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China;2. School of Mechanical and Aerospace Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China;3. Innovation Research Institute, Shenyang Aircraft Corporation, Shenyang 110000, China)收稿日期：2022-09-15；修订日期：2023-03-31Received：2022-09-15；Revised：2023-03-31基金项目：国家科技重大专项（2017ZX04001001）；江苏省自然科学基金青年基金（BK20210758）；中国博士后科学基金面上一等资助项目（2022M710060）；航空动力装备振动及控制教育部重点实验室开放基金（VCAME202208）；江苏省研究生实践创新计划（SJCX22_1849，KYCX22_3626）Fund：National Science and Technology Major Project (2017ZX04001001); Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20210758); China Postdoctoral Science Foundation Funded Project (2022M710060); Open Fund for the Key Laboratory of Vibration and Control of Aviation Power Equipment, Ministry of Education (VCAME202208); Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province (SJCX22_1849, KYCX22_3626)引文格式：刘彬, 李晟, 毛玉刚, 等. TA15钛合金高温摩擦磨损性能研究[J]. 表面技术, 2023, 52(10): 151-159.LIU Bin, LI Sheng, MAO Yu-gang, et al. Tribological Properties of TA15 Titanium Alloy at Different High Temperatures[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 151-159.*通信作者（Corresponding author）·152·表面技术 2023年10月ABSTRACT: To investigate the high-temperature wear resistance potential of the TA15 titanium alloy, its tribological properties were studied at various temperatures, ranging from room temperature to 800 ℃. The Rtec Universal Tribometer (Rtec, San Jose, USA) equipped with a high-temperature furnace capable of reaching 1 000 ℃, with a heating rate of 100 ℃/min, was used to conduct friction and wear property tests on the TA15 titanium alloy. The impact of temperature on the friction coefficient and wear rate was analyzed. The wear morphology, composition changes, and wear mechanism of the TA15 titanium alloy at different temperatures were analyzed with a laser confocal microscope, a JSM-7800F scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectrum (EDS), and X-ray diffraction (XRD). The study showed that there were no significant changes in the microstructure at different test temperatures, and the microstructure was primarily composed of equiaxed α and β phases. As the test temperature increased, the O element content on the surface of the TA15 titanium alloy continuously increased, and the oxidation wear phenomenon on the wear surface became more apparent. The wear width varied significantly at 200 ℃ and 400 ℃, owing to the small average width and depth at these temperatures. Although the wear width error was the smallest at 600 ℃, the wear depth error was the highest due to too deep partial scratches, indicating that abrasive wear was the primary factor. At 800 ℃, the specimen was extruded and deformed, resulting in a significantly increased wear width (about 2 300 μm).Furthermore, increased adhesive wear caused noticeable local tearing. At temperatures below the service temperature of 500 ℃, wear losses only slightly varied from 0.005 1 g to 0.004 3 g. However, at 600 ℃, the wear loss abruptly increased to 0.019 1 g, which was mainly due to TA15's excellent plasticity at that temperature. Additionally, the high temperature microhardness affected the wear loss and mechanism. Unexpectedly, at a test temperature of 800 ℃, the total mass increased by 0.019 4 g due to the softened TA15's compaction and obvious adhesive wear. The wear mechanism of TA15 at room temperature was primarily abrasive wear. At 200 ℃ and 400 ℃, the wear was mainly stripping wear and adhesive wear, accompanied by minor abrasive wear and oxidation wear. At 600 ℃, the wear was primarily oxidized, accompanied by abrasive wear and adhesive wear, with uniform surface wear morphology and width. At 800 ℃, the wear surface was mainly affected by adhesive wear and oxidation wear, accompanied by high temperature welding. At high temperatures, TA15's surface wear is mainly influenced by high temperature softening and surface oxidation. Worn surfaces are distributed with various particles of different morphologies, with Ti as the main element and N element detected at various spots, indicating that grinding ball particles are embedded in the substrate regardless of test temperature. Owing to Ti's high chemical activity, oxidation is inevitable, and the content of O element increases gradually with the rise in test temperature.KEY WORDS: TA15 titanium alloy; high-temperature properties; wear mechanism; oxidation wear; friction coefficientTA15（Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V）合金是典型的近α型中强度钛合金，具有高比强度、良好的热稳定性、较好的耐腐蚀性及焊接性能等优点，广泛应用于航空航天、船舶等领域[1]，因其优异的综合力学性能，成为承载复杂载荷结构件的重要材料之一，也是燃气轮机压气机叶片和压气机盘的重要材料[2-3]。

钛合金的表面涂层性能评估

钛合金的表面涂层性能评估钛合金是一种广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域的重要材料。

然而，由于其化学性质的活泼和机械性能的局限性，钛合金的应用受到一定的限制。

为了增强钛合金的表面性能，提高其耐磨损、耐腐蚀、导热等特性，科学家们提出了涂层技术。

本文将针对钛合金的表面涂层性能进行评估，并对当前钛合金涂层研究的发展趋势进行探讨。

一、涂层种类及其表面性能评估涂层是一种覆盖在基材表面的薄膜，可以改善材料的性能。

常见的涂层种类包括金属涂层、陶瓷涂层、聚合物涂层等。

为了评估涂层的表面性能，可以从以下几个方面进行评估：1. 耐磨性：涂层的耐磨性是评估其应用性能的重要指标之一。

可以通过硬度测试、摩擦磨损试验、磨损机械性能测试等方法进行评估。

2. 耐腐蚀性：腐蚀是钛合金常见的问题之一，因此涂层的耐腐蚀性能也至关重要。

可以利用电化学测试、盐雾试验、腐蚀电流密度测试等方法进行评估。

3. 导热性：钛合金的导热性能通常较差，而涂层的导热性能可以通过热导率测试进行评估。

4. 界面结合强度：涂层与基材之间的结合强度直接影响其使用寿命。

界面剪切测试、界面剪切强度测试等方法可以用于评估涂层的界面结合强度。

5. 光学性能：特定应用场景下，涂层的光学性能也具有重要意义。

光学显微镜、光谱分析等方法可以用于评估涂层的透光性、散射特性等。

二、钛合金涂层研究的发展趋势钛合金涂层研究的发展趋势主要包括材料创新、工艺改进和表征技术的提升。

1. 材料创新：涂层材料的选择对涂层性能至关重要。

当前常见的涂层材料包括二氧化钛、氮化钛、碳化钛等。

未来的研究将着重于材料新型的设计和合成，以提高涂层的性能。

2. 工艺改进：涂层的制备工艺对涂层性能有着重要影响。

目前广泛应用的涂层制备方法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、热喷涂法等。

未来的研究将致力于发展更加高效、环保的制备方法。

3. 表征技术的提升：涂层性能评估离不开先进的表征技术。

随着科技的发展，表征技术如扫描电子显微镜、X射线衍射、原子力显微镜等也将不断提升，从而能够更准确地评估涂层的性能。

钛合金表面MoS_2_TiN复合涂层的摩擦性能研究

第39卷第2期 2010年4月表面技术Vol.39 No.2 Apr.2010SURFACE TECHNOLOGY钛合金表面MoS 2/TiN 复合涂层的摩擦性能研究王利捷,杨军胜(长安大学,西安710046)[摘要] 采用复合处理的工艺方法,在Ti 6Al 4V 合金表面制备复合涂层。

用X 射线衍射仪、扫描电子显微镜和X 射线能谱仪分析复合涂层表面相结构、表面及截面微观形貌和沿截面各元素分布状态。

对不同处理后的截面硬度梯度进行了分析比较,在M M 200磨损实验机上测定了复合涂层的摩擦性能。

结果显示,复合涂层是由单质的Ti,M o 和Mo S 2,TiN 以及过渡层组成,在干摩擦、纯滑动的条件下摩擦性能优良。

[关键词] 钛合金;离子渗氮;磁控溅射;Mo S 2/TiN 复合涂层[中图分类号]TB332[文献标识码]A[文章编号]1001 3660(2010)02 0011 03The Study on Tribological Properties of MoS 2/TiNComposite Coating on the Surface of Titaniu m AlloyW ANG Li j ie,Y ANG J un sheng(Chang'a n U niversity ,Xi'an 710064,China)[Ab stract] A composit e coat ing layer w as formed on the surface of T i 6A l 4V alloy by the combined treatmeng process.T he phase st ructure of t he surf ace w ere analyzed by XRD,the microst ructure of the surface and cross secturewere invest igated by SEM,the dist ribut ion of the element along the cross secture were st udied by EDS.T he cross section hardness gradient af ter different t reat ment w ere compared.T he tribological properties of the composite coating w ere t est ed on M M 200w ear machine.T he results indicate that the composite coat ing layers are composed of the T i,M o,M oS 2,T iN and t ransition layer.T he t ribological properties are improved in the dry f rict ion and pure slippage condit ion.[Key words] T itanium alloy;Plasma Nitriding;M agnet ron sput tering;M oS 2/T iN composite coat ing[收稿日期]2010 01 26[修订日期]2010 02 02[作者简介]王利捷(1957-),女,北京人,副教授,主要研究方向为材料表面改性。

钛合金微弧氧化层的摩擦学性能研究

度增大。２％小牛血清润滑条件下的微弧氧化层与ＺＯ陶瓷球的摩擦学实验表明，微弧氧化层的摩擦因数高于Ｔ６ＩＶ５ｒ：ｉＡ４钛合金，但磨损率明显降低，表明微弧氧化Ｔ６１Ｖ合金具有良好的耐磨性能。ｉＡ４
关键词：钛合金；微弧氧化；摩擦磨损中图分类号：Ｔ１７１文献标识码：Ａ文章编号：０５０５（０７１ —１８４Ｈ１．２４— １０２０）１１ —
Ｔｉ４ａｌｙ，ｕｈａａｅｅｒａｅｏｖｏｓｙｃｍｐｒｄｗｉ６４Ｖｌｙｗｈｃｘｉｉｓｇｏｔ— ａｒｐｒｙ６Ａ１ＶｏｂｔｔｅｗｅｒｔｓｄｃｅｂｉｕｌｏａｅｔＴｉＡ１ｌｒｓｈｌａｏ，ｉｈｅｈｂｔｏｄａｉｗｅｐｏｅｔ．ｎｒＫｅｗｏｄ：ｉａｉｍｌｙ；ｃｏｒｘｄｔｏｂｏｒｂｌｇｒｐｒｙｙｒｓｔｔｎｕａｏｍｉｒａｃｏｉａｉｎ；ｉｔｉｏｏｙｐｏｅｌｔ
ｔｉｍｌｙｗｅｅｅａｎｄｈｅｅｐｒｍｅｔｅｕｔｈｗｈｔｔｅｓｚｆｐｒｎｔｅｏｉｅｆｍｓｒａｅ，ｈｕｆｃｎａｕａｏｒｘｍｉｅ．Ｔｘｅｌｉｎａｒｓｌｓｏｔａｈｉｅｏｏｅｏｈｘｄｌｌｓｉｕｆｃｔｅｓｒａｅｒｕｈｅｓａｈｏｔｎｓｏａｃｕａｄｐｏｐａｅｉｃｅｓｔｈｎｒａｅｏｈｐｌｅｎｄｃｖｌａｅ，ａｄｔｅｍｉｏｇｎｓｎｄｔｅｃｎｅｔｆｃｉｍｎｈｓｈｔｎｒａｅｗｉｔｅｉｃｅｓｆｔｅａｐｉｄａｏｉｏｔｇｎｈ — ｌｈ

钛合金表面等离子喷涂Al2O3-40%TiO2_陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能

第52卷第12期表面技术2023年12月SURFACE TECHNOLOGY·351·钛合金表面等离子喷涂Al2O3-40%TiO2陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能周志强1，郝娇山1*，宋文文1，孙德恩2，李黎1，蒋永兵1，张健1（1.重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400707；2.西南大学材料与能源学院，重庆 400715）摘要：目的研究温度对钛合金表面Al2O3-40%TiO2陶瓷涂层摩擦磨损性能的影响，探讨涂层在高温下的摩擦磨损机理。

方法采用大气等离子喷涂技术（APS）在TC4钛合金表面制备Al2O3-40%TiO2（AT40）陶瓷涂层。

采用扫描电子显微镜（SEM）和能量分散谱仪（EDS），对AT40陶瓷涂层中的微观形貌和物相进行定性分析。

借助维氏显微硬度计，研究 AT40陶瓷涂层在常温下的截面显微硬度分布规律，以及高温下的显微硬度。

采用多功能摩擦磨损试验机，测试AT40陶瓷涂层在200、350、500 ℃下的摩擦磨损性能，并进行原位在线自动3D形貌表征。

结果 AT40陶瓷涂层呈典型的热喷涂层状结构，各相分布均匀，涂层结构致密，平均显微硬度相较于TC4钛合金基材提高了81%。

AT40陶瓷涂层在200、350、500 ℃下的高温硬度分别为513HV0.3、463HV0.3、448HV0.3。

在200、350 ℃时，AT40陶瓷涂层的平均摩擦系数分别为0.18±0.02和0.38±0.03，磨损率分别为(7.8±0.01)×10–5 mm3/(N·m)和(37.2±0.01)×10–5 mm3/(N·m)，涂层具有优异的抗高温摩擦磨损性能。

500 ℃时，涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.77±0.02和(134.4±0.01)×10–5 mm3/(N·m)，磨痕深度和磨损体积大幅增加，耐磨性能降低。

TC4钛合金阳极氧化及其PTFE复合涂膜耐摩擦磨损性能研究

TC4钛合金阳极氧化及其PTFE复合涂膜耐摩擦磨损性能研究杜承天;梁琛;赵丽婷;李琳;金建;杨中东【摘要】研究了TC4钛合金阳极氧化及与PTFE制备的复合涂膜的耐摩擦磨损性能,结果表明,采用恒电位阳极氧化法,在H2SO4电解液体系中影响TC4钛合金氧化多孔膜孔径尺寸、均匀性及膜厚的主要因素是H2SO4浓度、氧化电压和温度;时间对膜孔影响较小,氧化到一定时间后膜厚不再增大;当H2SO4浓度为0.5～0.8 mol/L、电压120～130 V、温度-5～5℃条件下,氧化120 min,膜厚约为12μm,孔径约150～400 nm,膜孔分布均匀;试验结果表明,钛合金阳极氧化-PTFE复合涂层摩擦系数约为0.22,而TC4钛合金基体摩擦系数约为0.44,比钛合金基体降低了约50％,磨损量比TC4钛合金基体降低约70％,显著提高了自润滑减摩、耐磨性能.【期刊名称】《材料与冶金学报》【年(卷),期】2015(014)001【总页数】7页(P44-50)【关键词】TC4钛合金;阳极氧化;PTFE;复合涂膜;摩擦;磨损性能【作者】杜承天;梁琛;赵丽婷;李琳;金建;杨中东【作者单位】东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,沈阳110819;东北大学材料与冶金学院,沈阳110819【正文语种】中文【中图分类】TG174.445钛合金因其具有比强度、比刚度高和耐腐蚀等特点而被广泛用于航空航天、航海、国防及能源、化工等各个领域[1～3]，并已成为新工艺、新技术、新装备开发不可缺少的重要金属材料之一[4,5].但钛合金耐摩擦、磨损性能较差，因此，限制了钛合金的广泛应用[6～8].表面处理技术可以改善和提高其耐摩擦、磨损性能[8～12].Yerokhin[13]等采用微弧氧化法对Ti6A14V(TC4)钛合金表面进行了处理，得到的微弧氧化层改变了原来的摩擦付磨粒/黏着磨损机制，摩擦系数显著降低.吴宏亮等[14]采用双层辉光等离子表面处理技术，在TC4钛合金表面得到了Ti(C,N)改性层，也表现出较好的耐磨、减摩性能.此外，也有利用气相沉积法[15～19]、离子注入法[20,21]在TC4钛合金表面制备TiN 、TiC、Ti (C,N)、W2C、MoS2、DLC、氮化和碳化层等耐磨涂层，提高其硬度及表面耐磨性能；Di Wu[22]等在TC4钛合金表面制备的Ni-P/PTFE化学复合镀层具有自润滑功能，摩擦系数降低至0.1，显著提高了钛合金的摩擦、磨损性能.本文通过采用阳极氧化法在TC4钛合金表面制备孔径适当的TiO2陶瓷氧化膜，并同时与PTFE固体润滑粒子复合形成自润滑涂层，以期提高TC4钛合金耐摩擦、磨损性能.研究了不同电解工艺参数对TC4钛合金氧化膜孔径及分布形貌的影响，测试了该复合涂层的摩擦系数和磨损性能，结果表明，制备的钛合金氧化陶瓷-PTFE复合涂层具有自润滑减摩功能，显著的提高了TC4钛合金耐摩擦、磨损性能；该制备方法简单，具有实际开发应用价值.实验用TC4钛合金板材试样尺寸为20 mm×20 mm×1 mm，其化学组成如表1所示；固体润滑剂PTFE(聚四氟乙烯)粒子采用中昊化工集团晨光化工研究院生产的聚四氟乙烯乳液，平均粒径0.1 μm，其他主要技术指标见表2；采用的阳极氧化电解液组成及工艺条件为：H2SO4 浓度为0.5～1 mol·L-1，温度为-5～20 ℃，时间为60～180 min，连续磁力搅拌50～100 r·m in-1.测试分析方法：采用日本岛津公司SSX-550型扫描电子显微镜(SEM)表征阳极氧化膜孔径尺寸及膜孔分布均匀性，并测试氧化膜层厚度.氧化膜相结构分析采用荷兰Panalytical B.V公司PW3040/60X型X射线衍射仪.复合涂层的摩擦系数和磨损性能测试采用济南试金集团MM-W1A立式万能摩擦磨损试验机，被测试样和摩擦副之间采用销盘式接触，摩擦副为Φ 4 mm的圆柱钢销(45#淬火钢)；试验在干摩擦条件下，环境温度为室温，载荷50 N，转速50 r·min-1；复合涂层磨损性能评价采用试样磨损前后磨耗量称重法.实验工艺步骤：钛合金试片抛光→碱洗脱脂→水洗→ 阳极氧化→PTFE粒子复合涂膜制备→性能测试.实验结果如图1所示，由图可见：当H2SO4浓度为0.5 mol/L时，氧化膜表面膜孔分布均匀，膜孔密度较高，孔径约为100～300 nm；当H2SO4 浓度增加到0.8 mol/L时，孔径约为100～400 nm，孔密度降低，氧化膜表面变得凹凸不平；当H2SO4浓度增加到1 mol/L时，氧化膜表面膜孔不均匀，孔径约为160～500 nm，膜层表面出现裂痕，氧化膜变得疏松.由实验可知，要得到合适孔径和分布均匀的氧化膜，H2SO4 浓度不能过大.随着H2SO4浓度的增大，氧化膜的厚度虽然增加，但氧化膜变得疏松.由图1(d)可知，在H2SO4浓度为0.5mol/L时氧化膜厚度约为11.4 μm，阳极氧化膜是原位生长，氧化膜与基体紧密结合，与基体结合力良好.图2为不同电压下制备的TC4钛合金阳极氧化膜表面形貌，可见，随电压增大氧化膜孔孔径也不断增大；当阳极氧化电压为120 V时，氧化膜表面膜孔均匀平整，孔密度增加，孔径增大，到160～400 nm之间，氧化膜呈灰色；当氧化电压升为130 V时，氧化膜表面变得凹凸不平，孔径在100～380 nm之间，氧化膜呈黄色.由图3阳极氧化过程的电流-时间曲线可知，电压为130 V时相对氧化膜溶解速度也较大，氧化膜边生成边溶解，会出现分层现象，氧化膜疏松.由此可知，同H2SO4浓度相似，电压也影响阳极氧化膜孔径大小和均匀性，二者应有一个合适的匹配，才能得到膜孔均匀、孔径适当的氧化膜.图4为不同溶液温度条件下制备的TC4钛合金阳极氧化膜形貌，由图可见，随氧化温度由5 ℃降低到-5 ℃，氧化膜表面膜孔也变得均匀；当温度为0 ℃时，孔径在150～400 nm范围，膜层平整；当氧化温度降低至-5 ℃时，孔径的尺寸比较集中，约为 200～300 nm，膜厚约为7.2 μm.由实验可知低温下制备的氧化膜表面膜孔均匀性改善，这是因为低温下电场使H2SO4溶解氧化膜的速度较为缓和，能稳定地生成平整的氧化膜.由于氧化电压(130 V)较高，氧化反应过程中会产生热，试片表面瞬间温度要高于溶液温度.图5为不同氧化时间下TC4钛合金阳极氧化膜的形貌，实验条件为电解液H2SO4浓度0.8 mol/L，温度-5 ℃，氧化电压130 V，阳极氧化时间为60,120,180 min.由图可见，氧化60 min 时，氧化膜表面膜孔致密、均匀，孔径约为200～300 nm；当氧化时间为120和180 min，氧化膜表面平整性略有下降，膜孔表面仍很致密、均匀.但氧化膜厚度在120 min后增加不大，120 min时为11.9 μm，当氧化时间增加到180 min时，氧化膜厚度仅约为12.7 μm.说明在此阳极氧化体系中，场致氧化膜生成反应速度达到最大，此时多孔氧化层的生成速率与溶解速率趋于动态平衡，氧化膜不再生长.阳极氧化膜制备条件：电解液H2SO4 0.8 mol/L，氧化电压130 V，温度-5 ℃，阳极氧化时间120 min，制备氧化膜厚度约12.2 μm；复合涂层制备条件：PTFE的质量分数为6.7%，涂覆时间30 min，烘干温度100 ℃，烘干时间60 min，用软布料清理表面残余涂料.图6为制备的阳极氧化-PTFE复合涂层的表面形貌，由图可见，PTFE粒子填充到膜孔中，形成均匀复合涂层.图7为钛合金阳极氧化-PTFE复合涂层摩擦系数及磨损测试结果，比较可见，钛合金阳极氧化-PTFE复合涂层摩擦系数显著降低，约0.22左右，而TC4钛合金基体摩擦系数约为0.44，比钛合金基体降低了约50%，且可观察到，复合涂层摩擦试验曲线波动较小，具有润滑减摩效果.这是因为复合涂层与摩擦副相互作用时，PTFE润滑粒子能在极短时间内与摩擦副表面之间形成一层转移润滑薄膜[23]，起到自润滑减摩作用[24].这也可从磨损试验结果看出，钛合金阳极氧化- PTFE复合涂膜的磨损量仅为TC4钛合金基体的30%，显著降低了钛合金在微动及其他机械摩擦下的磨损程度.(1)TC4钛合金在H2SO4电解液中阳极氧化，H2SO4浓度、氧化电压、温度是影响膜孔孔径、分布均匀性及膜厚的主要因素；时间对膜孔影响较小，氧化到一定时间后膜厚不再增大.(2)TC4钛合金在电解液中H2SO4浓度为0.5～0.8 mol/L、电压为120～130 V，温度为-5～5 ℃，氧化120 min可获得孔径约为150～400 nm、均匀分布和厚度约为12 μm的多孔氧化膜.(3)摩擦磨损试验结果表明，钛合金阳极氧化-PTFE复合涂层摩擦系数约为0.22，而TC4钛合金基体摩擦系数约为0.44，比钛合金基体降低了约50%，磨损量比TC4钛合金基体减少约70%，具有显著的自润滑减摩作用，提高了TC4钛合金的耐磨性能.【相关文献】[1] Boyer R R. 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TC4合金在腐蚀及高温环境下的微动磨损研究

TC4合金在腐蚀及高温环境下的微动磨损研究TC4合金是一种常用的钛合金材料，在航空航天、能源等领域得到广泛应用。

然而，在复杂的工作环境中，包括腐蚀和高温的条件下，TC4合金的微动磨损问题成为了研究的重点。

首先，我们需要了解TC4合金的组成和性能。

TC4合金主要由钛、铝、钒和铁等元素组成，具有高强度、低密度和良好的耐腐蚀性能。

然而，由于合金材料中不同元素的含量和结构，导致了TC4合金在腐蚀和高温环境下的微动磨损问题。

在腐蚀环境下，TC4合金遭受腐蚀作用会导致表面产生氧化膜和腐蚀产物，进而影响材料的摩擦和磨损性能。

研究人员通过扫描电子显微镜和X射线衍射等表征技术观察到，TC4合金在腐蚀环境中表面会形成氧化膜，该氧化膜可以提高材料的耐蚀性能，但也会增加摩擦系数和磨损量。

因此，在腐蚀环境中使用TC4合金的运动部件需要特别注意其磨损情况。

另一方面，在高温环境下，TC4合金的微动磨损问题也变得尤为突出。

由于高温会导致材料的晶粒长大和晶界松动，进而影响材料的力学性能和耐磨性能。

高温下的摩擦磨损会导致材料表面形成氧化膜和卡碎层，增加摩擦系数和磨损量。

此外，高温还会加速材料的疲劳寿命，加剧材料的微动磨损现象。

针对TC4合金在腐蚀和高温环境下的微动磨损问题，研究人员提出了一些改进措施。

首先，可以通过改变合金材料的成分和结构来提高其耐腐蚀性能和耐磨性能。

研究发现，添加微量的稀土元素（如镧、钕等）可以改善TC4合金的耐腐蚀性能，并减小摩擦系数和磨损量。

此外，优化合金材料的工艺制备过程也是提高材料性能的关键。

其次，选择合适的润滑剂和润滑系统也是降低TC4合金微动磨损的有效手段。

研究发现，在高温环境下使用含有石墨和硼酸盐的润滑剂可以减小摩擦系数和磨损量，提高TC4合金的耐磨性能。

此外，合理设计润滑系统的结构和工作条件也是减小微动磨损的重要因素。

综上所述，TC4合金在腐蚀和高温环境下的微动磨损研究至关重要。

通过改进合金材料的成分和结构、选择合适的润滑剂和润滑系统，可以有效降低TC4合金的磨损量和摩擦系数，提高其耐磨性能和工作寿命。

TC4_钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究

第53卷第5期表面技术2024年3月SURFACE TECHNOLOGY·69·TC4钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究刘畅1,2，张春晖3，杜鹏程1,2，许建亮4，高名传1,2，陈同舟1,2*（1.武汉材料保护研究所有限公司，武汉 430030；2.特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室，武汉 430030；3.武汉船用机械有限责任公司，武汉 430080；4.凌云科技集团有限责任公司，武汉 430030）摘要：目的改善钛合金零部件之间因相对滑动造成的磨损，提升钛合金零部件的使用寿命。

方法采用超音速火焰喷涂（HVOF）方法在TC4钛合金表面上制备Cr3C2-NiCr、Ni50和NiCr涂层。

采用扫描电子显微镜（SEM）、显微硬度计等分析涂层的显微结构及力学性能，采用多功能摩擦磨损试验机及白光共焦三维形貌仪测试和分析不同涂层与TC4钛合金在干摩擦条件下的摩擦学性能。

结果 Ni50和NiCr涂层的硬度分别为680HV0.3和438HV0.3，低于Cr3C2-NiCr涂层硬度1 120HV0.3。

在高载荷作用下，由于Ni50和NiCr涂层的硬度较低，导致其颗粒界面出现裂纹，断裂韧性测试表现低于Cr3C2-NiCr涂层。

3种涂层的摩擦系数及波动均大于TC4钛合金基材。

Cr3C2-NiCr涂层对TC4的切削和NiCr涂层对TC4的黏着导致了TC4对磨副的严重磨损。

中等硬度的Ni50涂层对TC4的切削和黏着作用分别弱于Cr3C2-NiCr和NiCr涂层，TC4对磨副的磨损损失最低。

结论采用超音速火焰喷涂技术制备Ni50涂层可以降低TC4钛合金基体和摩擦副的黏着磨损损失，本研究为钛合金表面耐磨涂层的设计和提高钛合金零部件间的摩擦性能提供了一种可行的方案。

关键词：HVOF；TC4钛合金；Cr3C2-NiCr涂层；Ni50涂层；断裂韧性；摩擦学性能中图分类号：TG174 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)05-0069-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.05.007Tribological Properties of HVOF-sprayed ProtectiveCoatings on TC4 Titanium AlloyLIU Chang1,2, ZHANG Chunhui3, DU Pengcheng1,2, XU Jianliang4,GAO Mingchuan1,2, CHEN Tongzhou1,2*(1. Wuhan Research Institute of Materials Protection, Wuhan 430030, China; 2. State Key Laboratory of Special SurfaceProtection Materials and Application Technology, Wuhan 430030, China; 3. Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd., Wuhan 430080, China; 4. Lingyun Science & Technology Group Co., Ltd., Wuhan 430030, China)ABSTRACT: The wear resistance of titanium alloy is one of the most important factors which affect its performance and收稿日期：2023-02-04；修订日期：2023-05-17Received：2023-02-04；Revised：2023-05-17基金项目：煤燃烧国家重点实验室开放基金资助项目（FSKLCCA1901）；中国机械科学研究总院集团有限公司技术发展基金项目（FZJJ202129）Fund：The Foundation of State Key Laboratory of Coal Combustion (FSKLCCA1901); Foundation of China Academy of Machinery Science and Technology Group (FZJJ202129)引文格式：刘畅, 张春晖, 杜鹏程, 等. TC4钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究[J]. 表面技术, 2024, 53(5): 69-77. LIU Chang, ZHANG Chunhui, DU Pengcheng, et al. Tribological Properties of HVOF-sprayed Protective Coatings on TC4 Titanium Alloy[J]. Surface Technology, 2024, 53(5): 69-77.*通信作者（Corresponding author）·70·表面技术 2024年3月service life. In previous studies, the wear resistance of titanium alloy surface protective coatings was mainly researched with stainless steel and Si3N4 ceramics as friction pairs, and there was a lack of research on the wear performance between the protective coating and titanium alloy. In order to reduce the abrasion and find out a wear-resistant coating system that is applicable for the friction between titanium alloy parts, Cr3C2-NiCr, Ni50, and NiCr coatings, with high, medium, and low hardness, respectively, were sprayed on the surface of TC4 titanium alloy by HVOF. A scanning electron microscope (SEM) anda microhardness tester were used to analyze the microstructure and mechanical properties of the coatings. The tribologicalproperties of the coatings in friction with TC4 titanium alloys were measured with a versatile friction and wear test machine. The results of the mechanical and wear test results showed that the hardness of Ni50 and NiCr coatings was lower than that of the Cr3C2-NiCr coating. The lower hardness of Ni50 and NiCr coatings lead to the cracks generated at particle interfaces that around the indention when they were subject to a load of 49 N. However, differ from the crack morphology of Ni50 and NiCr coatings, the cracks in higher hardness Cr3C2-NiCr coatings propagated along the particle interface. The fracture toughness of the two coatings was 3.58 MPa·m1/2 and 1.69 MPa·m1/2, respectively, which were lower than that of Cr3C2-NiCr coatings with a value of3.65 MPa·m1/2. The hardness of TC4, Cr3C2-NiCr, Ni50 and NiCr coatings were 314HV0.3, 1 120HV0.3, 680HV0.3, and438HV0.3, respectively. However, the Ni50 coatings, as well as, the TC4 friction pair that was in friction with Ni50 coatings showed the lowest specific wear rate and wear loss, with the value of 0.87×10–7 mm3/(N·m) and 2.84 g, respectively. The coating specific wear rate of Ni50 coatings was 2.53, 0.84, and 0.08 times than TC4 alloy, Cr3C2-NiCr, and NiCr coatings, respectively.Meanwhile, the wear loss of the TC4 friction pair in friction with Ni50 was 1.1, 0.3, and 0.04 times than the friction pair that was in friction with TC4 alloy, Cr3C2-NiCr, and NiCr coatings, respectively. The wear mechanism of the TC4 substrate in friction with TC4 was adhesive wear, which was same with NiCr coatings in friction with TC4 friction pairs. Due to the low fracture toughness, the NiCr coating sufferred a much greater wear loss than Cr3C2-NiCr and Ni50 coatings. The wear mechanism of Cr3C2-NiCr coatings and TC4 friction pairs was adhesive wear and abrasive wear, resulting in a significant cutting effect and leading to a greater wear loss of TC4 friction pairs. The Ni50 coatings showed a moderate hardness but a relatively large fracture toughness compared with Cr3C2-NiCr and NiCr coatings. The cutting effect and adhesion effect of Ni50 coatings on friction pairs was lower than that Cr3C2-NiCr coatings and NiCr coatings, respectively, and the wear loss of the coatings and friction pairs was lower than the other two. In summary, the Ni50 coatings prepared by HVOF can reduce the adhesion wear loss of TC4 titanium alloy substrates and friction pairs. This study provides a feasible scheme for the design of wear resistant coatings on titanium alloy surfaces and for the improvement of friction properties between titanium alloy parts.KEY WORDS: HVOF; TC4 alloy; Cr3C2-NiCr coating; Ni50 coating; fracture toughness; tribological property钛合金因其具有比强度高、耐腐蚀、耐疲劳、低密度、低热膨胀系数等优异特性，广泛应用于航空航天、海洋装备、石油化工、医疗器械等领域[1-2]。

TC21钛合金微动磨损特性的研究

ＢＡＩＬｉｎ，ＤＩＮＧＹａｎ。，ＤＥＮＧＫａｉ，ＷＡＮＧＮｉｎｇｔａｏ，ＧＯＮＧＨａｉｂｏ，ＺＨＡＯＺｈｉｇｕｏ。ＤＡＩＺｈｅｎｄｏｎｇ
（１ＣｈｅｎｇｄｕＡｉｒｃｒａｆｔＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００９１；２ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＢｉｏ－ｉｎｓｐｉｒｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ
ＴＣ２１钛合金微动磨损特性的研究／柏
林等
・７９・
ＴＣ２１钛合金微动磨损特 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 的研究
柏林，丁燕，邓凯，王宁涛，龚海波，赵志国，戴振东
（１成都飞机设计研究所，成都６１００９１；２南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，南京２１００１６）
摘要采用ＳＲＶ磨损试验机研究了ＴＣ２１钛合金与０Ｃｒｌ３ＮｉＳＭｏ２Ａｌ不锈钢配副件的微动磨损特性；用正交
实验法设计实验，系统研究了微动频率、法向载荷、微动振幅对钛合金磨损量的影响，测试了不同实验条件下摩擦系数与循环次数的关系。结果表明：微动振幅对磨损量的影响高度显著，法向载荷的影响显著，微动频率有影响但不显著；在微动过程中摩擦系数呈现出阶段性变化，同时变化幅度随着微动频率的增加逐渐减小。ＴＣ２１微动磨损发生的