關于鈦合金激光著色的耐磨性和耐候性探討

車榮泓 吳凡睿

摘 要：本文對TC4鈦合金激光著色樣品展開耐磨性和耐候性測試，探索鈦合金激光著色工藝對鈦合金表面性能的改善作用。從測試結果來看，激光著色后的鈦合金樣品表面摩擦系數降低了11.1%-17.8%，磨損率也有所降低，使得材料耐磨性得到了有效提高；樣品在濕熱環境中放置50h后未發生明顯顏色變化，激光著色樣品具有良好的耐候性。

關鍵詞：鈦合金激光著色；耐磨性；耐候性

中圖分類號：TG174.44 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）06-0088-02

1 鈦合金激光著色后的表面性能測試

1.1 表面耐磨性測試

利用激光進行TC4鈦合金表面微型構造加工，可以使樣品表面發生織構化，從而使材料耐磨性得到提高[1]。為驗證這一觀點，對TC4鈦合金激光著色前后的摩擦系數和磨損率進行測試，以驗證樣品表面性能變化。

1.1.1 摩擦系數測試

在摩擦系數測試上，使用設備型號為HT-100的高溫摩擦磨損試驗機展開試驗。在測試過程中，需選取黃綠、紫色、綠色、黃色和藍色這5種典型TC4鈦合金激光著色試樣，并準備未著色TC4鈦合金基體，共同開展滑動干摩擦磨損實驗。通過對比，研究激光著色后樣品的摩擦系數變化情況。

1.1.2 磨損率測試

磨損率是試樣在單位時間和單位載荷下的磨損量。在摩擦磨損實驗中，對試樣的質量磨損量進行測量，完成磨損率計算，從而更好的確認試樣磨損性能。利用式（1），進行磨損率I的計算。式中dM指的是質量磨損量，dt則時磨損時間，dF指的是載荷。在實驗前后，利用丙酮超聲波進行試樣表面清洗，并利用風機吹干，然后進行試樣質量稱量，稱量使用的天平的感量為0.1mg。針對各試樣，需分別稱重5次，然后進行平均值求取。

I=dM/（dF×dt） （1）

1.2 表面耐候性測試

對TC4鈦合金著色試樣進行耐候性測試，利用恒溫恒濕試驗箱ZH-TH-80D為試樣提供測試需要的環境。將試驗箱濕度調整為80%RH，溫度調整為120℃，然后分別在10h、20h、30h、40h、50h后將著色試樣取出與原始試樣完成顏色比對，顏色測試使用美國OceanOptics公司生產的規格型號為Maya-PRO的光譜儀。

2 鈦合金激光著色的耐磨性和耐候性分析

2.1 材料耐磨性分析

2.1.1 摩擦系數分析

如圖1（a），未著色基體的摩擦系數呈現出先增長后穩定的變化趨勢。在實驗一開始，基體的摩擦系數約為0.25，此時實驗階段可以被稱之為預磨階段。在0到8min內，基體表面摩擦系數不斷提高，直至進入穩定階段，即8min后，基體表面摩擦系數維持在0.45左右。分析該現象產生的原理可以發現，摩擦系數與摩擦力大小有直接的關系，在試樣承受的載荷一定的情況下，摩擦力由粘黏分量、犁削分量和微凸變形分量構成。在一開始摩擦時，由于未著色基體表面較為光滑，所以摩擦系數較小。此時，基體表面微凸點只有很小面積與摩擦副小球表面硬質顆粒接觸，因此試樣接觸點上承擔較大壓力[2]。

5種著色試樣的摩擦系數變化情況如圖（b）2所示，在一開始階段，試樣與基體擁有大致相同的摩擦系數，大小均不超出0.25。進入預磨階段，著色試樣摩擦系數快速提高，但相較于基體試樣，著色試樣的預磨時間僅在4min左右。進入到穩定階段，著色試樣的摩擦系數取值在0.37-0.40范圍內，摩擦系數較之基體試樣降低了11.1%-17.8%。分析該現象產生原因可以發現，經過激光著色后，鈦合金表面將產生著色膜層[3]。而該種膜層表面存在細微裂紋，本身不夠致密，所以在預磨階段產生磨屑的速度更快，試樣磨面也能盡快進入穩定狀態。

2.1.2 磨損率分析

如表1所示，為各種試樣的磨損率。從磨損率測試結果來看，在實驗后，基體試樣質量磨損量達到了6.81mg，黃綠、紫色、綠色、黃色和藍色這5種著色試樣的質量磨損量分別達到了5.19、5.33、4.71、4.77、4.0mg。從測試結果來看，經過激光著色后，鈦合金表面磨損率得到了明顯降低，可以說明材料表面耐磨性得到了提高。

2.2 材料耐候性分析

材料耐候性測試如表2所示。5種著色試樣在惡劣環境條件下保存50h后，試樣色差值并未超出4，所以基本可以忽略試樣顏色變化，由此可見經過激光著色后的TC4鈦合金試樣擁有較好的耐候性。分析該現象產生的原因可以發現，經過激光著色處理后，鈦合金表面產生了氧化薄膜，可以防止空氣中的氧氣與基體反應。即便在高溫高濕條件下，基體與氧的反應也將被減慢，因此試樣表面顏色并未發生較大變化。

3 結語

通過分析可以發現，采用激光著色方法進行鈦合金表面處理，不僅能夠使材料表面色彩更加豐富，還能使材料的耐磨性能得到改善，同時也能使材料獲得較好的耐候性，所以能夠使材料的附價值得到提升。

參考文獻

[1]高鴻志，李建美，霍孟友.納秒激光金屬表面著色技術機理研究的發展與展望[J].應用激光，2017，37（05）：752-758.

[2]劉忠民，郭亮，張慶茂.納秒激光不銹鋼著色過程中的熱作用及氧化規律[J].應用激光，2017，37（04）：563-568.

[3]李云龍，李建美，王愛群，等.激光誘導Ti-6Al-4V鈦合金表面著色研究[J].激光與紅外，2017，47（06）：674-679.