織構(gòu)密度對(duì)鈦合金表面摩擦學(xué)性能的影響

織構(gòu)密度對(duì)鈦合金表面摩擦學(xué)性能的影響

鈦合金具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、高科技性能好、彈性模量低等特點(diǎn)。它在航空、航空航天、船舶、化工醫(yī)療等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。碳基薄膜具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能本文作者擬結(jié)合碳基薄膜和激光織構(gòu)技術(shù)的優(yōu)勢來使鈦合金具有更優(yōu)的性能,與已有研究不同的是,文中擬以TC4鈦合金為研究對(duì)象,開展低織構(gòu)密度條件下滑動(dòng)摩擦性能對(duì)比研究,并在具有較好摩擦性能的織構(gòu)密度條件下利用等離子增強(qiáng)物理氣相沉積制備碳基薄膜,研究重載條件織構(gòu)化碳基薄膜的摩擦性能。試驗(yàn)部分1.1碳基薄膜微織構(gòu)加工試驗(yàn)材料選用商用TC4鈦合金,試樣尺寸為?30mm×5mm。采用240#、600#、1000#以及1500#金相砂紙依次打磨樣品表面,然后分別采用3.5μm和1.5μm的金剛石拋光劑拋光樣品表面,最后采用120nm和80nm的SiO為避免激光器加工微織構(gòu)時(shí)破壞涂層性能,采用先激光加工再涂層的方式進(jìn)行研究。首先,在磨拋好的TC4樣品表面采用皮秒激光器制備微織構(gòu),制備時(shí)保證單個(gè)微織構(gòu)直徑為40μm,深度小于4μm,同時(shí)根據(jù)所需的織構(gòu)密度,調(diào)整織構(gòu)陣列的行距和列距(始終保持行距和列距相等),最終獲得了織構(gòu)密度分別為5.95%、8.26%和11.55%的3組試樣,不同織構(gòu)密度樣品的表面形貌如圖1所示?？棙?gòu)處理后,采用手持粗糙度儀測試發(fā)現(xiàn)樣品表面粗糙度有所增加,在0.3～0.4μm之間。然后,在制備了微凹織構(gòu)的試樣表面采用等離子增強(qiáng)物理氣相沉積制備碳基薄膜,薄膜厚度3～5μm。薄膜制備后再測試樣品的表面粗糙度仍然保持在0.3～0.4μm之間。1.2性能表現(xiàn)采用球-盤往復(fù)摩擦的方式進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn),對(duì)磨材料為?4mm的Si試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1織構(gòu)密度對(duì)磨痕的影響不同織構(gòu)密度樣品的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化的曲線如圖2所示?？梢钥吹?未經(jīng)織構(gòu)化處理的鈦合金的摩擦因數(shù)最大,其平均摩擦因數(shù)約為0.468,而不同織構(gòu)密度樣品的摩擦因數(shù)均減小。其中織構(gòu)密度為5.95%時(shí)的摩擦因數(shù)最小,其平均摩擦因數(shù)為0.388;織構(gòu)密度為11.55%時(shí)的摩擦因數(shù)次之,其平均摩擦因數(shù)為0.386;織構(gòu)密度為8.26%時(shí)的摩擦因數(shù)再次之,其平均摩擦因數(shù)為0.391。圖3所示為不同織構(gòu)密度樣品摩擦磨損后磨痕的二維輪廓曲線。測量得到未經(jīng)織構(gòu)處理的鈦合金的磨痕寬度為426μm,磨痕最大深度為9.3μm;而經(jīng)過織構(gòu)處理的樣品的磨痕寬度均減小了,其中織構(gòu)密度為5.95%時(shí),磨痕的寬度最窄,為353μm;隨著織構(gòu)密度的增大,磨痕的寬度也增加了,當(dāng)織構(gòu)密度為8.26%時(shí),磨痕的寬度為390μm,織構(gòu)密度增加為11.55%時(shí),磨痕寬度增加不明顯,約為391μm?？棙?gòu)密度為5.95%和8.26%時(shí),樣品磨痕的最大深度都減小,分別為7.56μm和7.13μm,而織構(gòu)密度為11.55%時(shí),磨痕的最大深度比未織構(gòu)處理時(shí)有所增大,為9.89μm。通過測量得到的磨痕寬度和最大磨痕深度計(jì)算得到不同織構(gòu)密度樣品的磨損量,如圖4所示。未進(jìn)行織構(gòu)化處理的鈦合金樣品的磨損率最大,為6.74×102.2織構(gòu)化的基礎(chǔ)在織構(gòu)密度5.95%的樣品表面制備碳基薄膜后的表面形貌如圖5(a)所示,可以看出,樣品表面有許多熔滴狀顆粒和大量的微孔,這可能是受激光微處理的影響,因?yàn)樵诩す馓幚順悠繁砻鏁r(shí)不可避免在微織構(gòu)孔內(nèi)和周圍殘留有熔融物,當(dāng)進(jìn)行鍍膜處理時(shí),高能量的前處理工藝,使得孔內(nèi)的熔融物被濺射出來在樣品表面形成熔滴顆粒,孔周圍的熔融物被濺射掉形成微孔。而且由于樣品表面薄膜的覆蓋,織構(gòu)的孔徑減小了,如圖5(b)所示,織構(gòu)孔徑減小到約30μm,織構(gòu)深度增加到6～8μm(增加了薄膜的厚度,約4.5μm,如圖5(c)所示)。從圖5(c)所示的碳膜截面形貌可以看出,薄膜結(jié)構(gòu)致密,與基體結(jié)合良好,受表面粗糙度的影響,薄膜的上表面呈現(xiàn)凹凸不平的表面形貌。2.3織構(gòu)化碳基薄膜的磨痕特征在相同的試驗(yàn)條件下,對(duì)比鈦合金表面碳基薄膜和織構(gòu)化碳基薄膜的摩擦學(xué)性能。如圖6所示為碳基薄膜和織構(gòu)化碳基薄膜的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線,碳基薄膜和織構(gòu)化碳基薄膜的摩擦因數(shù)在摩擦開始的1～2min內(nèi)都表現(xiàn)為先升高再回落,在隨后的摩擦過程中保持平穩(wěn)。碳基薄膜和織構(gòu)化化碳基薄膜均在摩擦穩(wěn)定階段保持著較低的摩擦因數(shù),這主要是由于實(shí)際接觸面積的減小引起的高赫茲接觸應(yīng)力促使摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。碳基薄膜的平均摩擦因數(shù)約0.26,大于織構(gòu)化碳基薄膜的平均摩擦因數(shù)0.21,織構(gòu)化碳基薄膜具有相對(duì)更低的摩擦因數(shù),可歸因于摩擦過程中織構(gòu)凹痕可捕獲許多磨損顆粒。測量磨損后的碳基薄膜和織構(gòu)化碳基薄膜的磨痕,得到磨痕的二維輪廓曲線如圖7所示?？梢钥闯?磨損后碳基薄膜的表面比較光滑,二維輪廓曲線表現(xiàn)為平滑曲線,而織構(gòu)化碳基薄膜的二維輪廓曲線存在高低不平的起伏,表現(xiàn)為粗糙的表面形貌。對(duì)碳基薄膜和織構(gòu)化碳基薄膜的磨痕寬度和最大磨痕深度進(jìn)行測量,碳基薄膜的磨痕寬度約為139μm,最大磨痕深度為0.49μm,而織構(gòu)化的碳基薄膜的磨痕寬度僅為94μm,最大磨痕深度為0.29μm,即織構(gòu)化碳基薄膜的磨損程度低于碳基薄膜。通過計(jì)算可得二者的磨損率分別為1.16×102.4磨損顆粒導(dǎo)致磨損為深入分析碳基薄膜和織構(gòu)化碳基薄膜的耐磨性,采用SEM獲得了磨損后的磨痕形貌,如圖8所示?？梢钥闯?在滑動(dòng)行程上的顆粒在經(jīng)過長時(shí)間高接觸壓應(yīng)力的碾磨,在薄膜表面產(chǎn)生磨粒磨損的溝槽痕跡;此外堆積在磨損軌道上方的大磨損顆粒會(huì)干擾滑動(dòng)摩擦并導(dǎo)致磨料磨損。分析鈦合金表面織構(gòu)化碳基薄膜比碳基薄膜摩擦因數(shù)和磨損率低的原因可能在于以下2個(gè)方面:一是樣品表面微織構(gòu)孔的存在,使得滑動(dòng)摩擦過程中在織構(gòu)微凹處產(chǎn)生了小微湍流,減少了摩擦阻力,從而降低了摩擦因數(shù)織構(gòu)材料的影響(1)激光織構(gòu)化處理后的TC4鈦合金的摩擦因數(shù)減小、磨損率降低。在3種低織構(gòu)密度條件下,隨著織構(gòu)密度的增大,鈦合金材料的摩擦因數(shù)變化極小,磨損率有所增加。(2)在織構(gòu)密度5.95%的鈦合金表面制備碳