TC11鈦合金TiAlSiN涂層微織構表面脂潤滑摩擦性能研究

徐上，華希俊*，解玄，徐金峰，尹必峰，張加力

（1. 江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；2. 江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013；3. 江蘇西希維軸承有限公司，江蘇 鎮江 212013）

0 引言

鈦合金因其具有高強度、低質量、良好的耐腐蝕性等優勢被廣泛應用于航空、航海、化學工業等領域[1,2]。但鈦合金活性高，熱傳導率低，在摩擦過程中基體接觸面非常容易發生氧化而生成氧化層，在摩擦運動過程中氧化層持續生成和磨損導致基體材料不斷被消耗。在尺寸、接觸間隙等方面對摩擦副造成負面影響，降低其性能。因此，相關學者通過在鈦合金表面加工涂層來保護鈦合金基體，減小其磨損量[3]。表面織構化技術是一種通過改變表面微造型來減小摩擦磨損的一種技術。激光表面微織構技術因其工效率高、質量好以及對環境無污染等優點被廣泛應用于表面織構加工中。近年來大量學者將LST與潤滑劑相結合進行研究，通過將不同類型潤滑劑填入為凹坑來改善摩擦副摩擦性能[4-6]。表面涂層近年來作為一個新的減磨方向也引起了大量學者的研究興趣[7-9]。在接觸表面基體上制備硬質涂層能夠很好的減小粘著磨損[10]。Qin Y[11]等將激光微織構和等離子電解氧化處理想結合，使用二硫化鉬作為潤滑劑，對摩擦副表面摩擦性能進行了研究。發現LST/PEO/MoS2復合處理的涂層比單一PEO/MoS2處理具有更好的減磨性能。TiAlN作為一種典型的硬質涂層，Zhang K[12]等研究發現以MoS2作為潤滑劑，經過LST加工的TiAlN涂層試樣能夠如預期的一樣減小摩擦表面磨損。Shimizu T[13]等研究了在DLC表面加工微織構的試樣在干摩擦條件下的摩擦性能，并得出了結論40 μm直徑的織構凹坑具有最優的減磨效果。Shum P W[14]等將TiAlSiN涂層與激光微織構和離子注入相結合，研究在干摩擦條件下其對減磨的影響，發現TiAlSiN結合C-N離子注入能夠進一步降低摩擦磨損。He D[15]等將激光微織構與DLC涂層相結合，研究織構密度對試樣摩擦學性能的影響，發現44%織構密度具有最好的減磨效果。

上述研究人員大都是對單一涂層減磨或者單一織構減磨進行研究。部分學者將涂層與激光微織構相結合研究其減磨性能，但還處于探索階段，其摩擦試驗工況相對比較單一。很少有學者在涂層的基礎上研究不同織構形貌在不同工況下的減磨效果。為了在不破壞表面材料成分情況下減小摩擦副的摩擦磨損，本文選用TC11鈦合金和316不銹鋼加工成銷盤式滑動摩擦副，其中TC11為下試樣，316不銹鋼為上試樣。先利用激光微織構技術在TC11下試樣表面加工出微織構形貌，再利用磁控濺射設備在下試樣表面覆蓋上TiAlSiN涂層，研究脂潤滑條件下織構涂層試樣的滑動摩擦性能。實驗先是對比研究了不同表面處理方式對其摩擦性能的影響，其次根據以上結果深入研究了織構密度（凹坑表面占有率），織構直徑等形貌參數對材料表面摩擦性能的影響，最后研究不同工況如載荷，轉速等對試樣表面摩擦性能的影響，并對實驗結果的相關機理進行分析。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料與設備

下試樣采用TC11鈦合金，首先對棒狀原材料進行線切割切片，線切割后的試樣表面粗糙度較大，需要進行打磨至表面較為光滑至鏡面為止，最后使用金剛石拋光劑進行拋光處理，要求拋光后的表面粗糙度≤Ra0.05。將磨拋后的試樣分別裝夾在Nd：YAG激光器和IPG光纖激光器上，首先使用水平尺進行水平校準，然后再進行對焦操作，保證試樣處于同一離焦量條件下。最后再根據不同激光器輸入相應的加工代碼進行激光加工，得到的織構形貌如圖1所示。織構加工結束使用砂紙去除表面熔渣，再使用磁控濺射設備在材料表面加工TiALSiN涂層，涂層厚度為2～3 μm。本試驗所使用的潤滑脂為SKF斯凱孚進口通用鋰基潤滑脂，型號為LGMT2/1。本試驗采用銷-盤式滑動摩擦接觸方式，其中上試樣為銷，下試樣為盤，運動方式旋轉滑動。其中上試樣材料為AISI316不銹鋼，下試樣為表面已經覆蓋TiN-TiAlSiN涂層的TC11鈦合金，如圖2所示。采用美國Rtec公司通用型摩擦磨損試驗機進行滑動摩擦試驗，并研究試樣摩擦磨損性能。使用Nanofocus三維形貌儀對各個參數編號試樣進行形貌測量并記錄分析保存數據。

圖1 單個織構凹坑形貌Fig.1 The morphology of single dimple

圖2 銷盤試樣尺寸圖Fig.2 Dimension of pair of samples

1.2 實驗方法

為了加工得到所需要的密度參數的凹坑陣列，則需要事先建立密度模型，具體如圖3所示。首先把單個凹坑看作為一個圓，其凹坑直徑便可看作是圓的直徑D，H為每行中兩個相鄰凹坑圓心的中心距，L為相鄰的兩行之間的行距，則可以得出織構密度計算公式：

為了提升加工效率，在加工時采用正方形陣列加工方法也就是說織構陣列的行距等于列距，故有H=L，則密度計算公式可以簡化為：

TD=（D2/4H2）×π×100%

圖3 微織構凹坑密度計算模型Fig.3 The model for texture density calculation

為了防止激光器在進行微織構加工時破壞涂層的完整性，影響涂層性能，本試驗將織構密度加工工序置于涂層加工工序前。采用陣列加工方法，通過改變相鄰凹坑中心距H加工不同織構密度參數的試樣。其中按照密度由小到大順序依次加工10%，20%，30%，40%，50%五組試樣。如表1所示，編號依次為M1B，M2B，M3B，M4B，M5B。加工完成后在Rtec摩擦磨損試驗機上進行脂潤滑銷盤旋轉滑動摩擦試驗，試驗溫度為室溫，載荷為25 N，轉速100 rpm，試驗時長10 min。

表1 不同密度參數試樣編號Table 1 The number of samples with different texture density

2 結果與討論

2.1 脂潤滑條件下不同表面處理方式對摩擦性能的影響

為了探究在脂潤滑條件下，不同表面特性以及微織構的加入對試樣摩擦性能的影響，本試驗準備了三組相同的上試樣（AISI316不銹鋼），以及三組經過不同表面處理的TC11鈦合金下試樣，見表2。在室溫，試驗載荷30 N，轉速100 rpm條件下進行銷盤式旋轉滑動摩擦試驗，研究分析其摩擦性能。

表2 試樣編號Table 2 The number of samples

圖4為經過不同表面處理的下試樣在對磨AISI316不銹鋼上試樣實驗的摩擦系數變化曲線圖。由圖可知未經任何處理的TC11鈦合金試樣S摩擦系數震蕩劇烈，同時摩擦系數也一直保持在較高的水平，同時在實驗過程中產生非常大的噪音。由于S試樣其本身作為對比組，在摩擦系數穩定后便停止了實驗。SC試樣的摩擦系數經過開始的磨合階段后摩擦系數進入穩定階段，大致處于0.25～0.3區間范圍，但穩定時間較短，穩定階段過后又開始緩慢爬升至S試樣摩擦系數區間。SCT試樣在進過短暫的磨合階段后便進入了穩定階段，且摩擦系數十分穩定。S試樣摩擦系數最大，SCT試樣摩擦系數最小。

圖4 不同表面處理試樣摩擦系數變化圖Fig.4 The friction coefficient of samples with different surface treatment

圖5為三組試樣在摩擦試驗結束后的表面磨損三維形貌圖。有圖可知即使在脂潤滑的條件下未經任何處理的TC11鈦合金對磨質地較軟的316不銹鋼依然有非常嚴重的磨損，其磨損主要表現為黏著磨損和磨粒磨損，在下試樣表面可以清晰的看到磨粒和犁溝的存在。SC試樣由于表面覆蓋有緊密高硬度的TiAlSiN涂層，對磨上試樣所產生的大部分磨粒無法磨穿涂層損傷到基體，固從形貌中可以看出磨道中間堆積了大量從上試樣脫離下來的磨粒。圖5（c）為摩擦試驗后經過超聲波清洗后的圖片，在清洗前可以清洗看到凹坑中填滿了潤滑脂，同時在部分凹坑中鑲嵌這從上試樣脫落下來的磨粒。說明了相比SC試樣，SCT其具有較低的摩擦系數與較長的穩定時間源于凹坑在摩擦過程中能夠收集儲存潤滑脂與收集磨粒，其結構能夠減緩摩擦接觸表面潤滑脂的流失，同時減少接觸面存在的磨粒數量進而減小對上試樣的磨粒磨損。

圖5 不同表面處理試樣磨損形貌圖Fig.5 The wear morphology of samples under different surface treatment

2.2 織構密度對摩擦系數的影響

圖6為不同織構密度的試樣摩擦系數隨時間變化的曲線圖。由圖可知在開始的磨合階段五組試樣的摩擦系數均呈現出急速上升，其中M1B試樣的振幅較大，這是由于在試驗開始前潤滑脂是通過涂抹方式填充至試樣表面及織構凹坑中的，因為潤滑脂初始階段粘度較高不可避免的會導致材料表面摩擦區域潤滑脂分布不均勻，甚至部分凹坑中并沒有填充進潤滑脂造成織構空腔。假設涂抹填充潤滑脂時發生織構空腔的概率是固定的，由于M1B試樣織構密度較小，這就導致M1B試樣表面上填充滿潤滑脂的凹坑數量較少。摩擦開始后表面潤滑脂逐漸被磨出接觸區域，凹坑又不能持續提供潤滑脂導致M1B不僅摩擦系數上升較快，其振幅也較大。M2B試樣織構數量相比較于M1B試樣有所增加，和M1B一樣在同樣空腔發生概率下其填有潤滑脂凹坑的數量較M1B試樣有所增加，反映在摩擦系數變化曲線上則是增大趨勢相同，振幅減小，磨合反應時間延長。M3B摩擦系數相較于其他試樣在磨合階段顯得最為穩定。值得注意的是M4B和M2B磨合階段都有一個陡然下降然后恢復穩定的階段，這是試驗人員在中途向摩擦表面添加少量潤滑脂以求證摩擦開始前試樣表面潤滑脂數量是否會對摩擦系數大小產生影響。實驗表明起始階段接觸面上的宏觀潤滑脂厚度并不會摩擦系數造成影響，摩擦開始后只有一小部分潤滑脂能停留在摩擦接觸區域，大部分潤滑會直接被上下試樣相對運動推離接觸區域。反映在摩擦曲線上的現象就是M2B和M4B在磨合階段有陡降緩升階段。M5B試樣的磨合階段最長，在將近10分鐘時才趨于穩定，這是由于過大的織構密度至其表面凹坑中儲存有大量的潤滑脂，隨著摩擦過程的進行，其中的潤滑脂緩慢釋放，直至10分鐘左右達到穩定狀態。

圖6 不同織構密度試樣的摩擦系數變化圖Fig.6 The COF of samples with different texture density

觀測分析圖6中各組試樣在穩定階段的摩擦系數，繪制穩定階段摩擦系數隨密度變化曲線圖得到圖7。由圖可知在織構密度較小的情況下，M1B，M2B其穩定階段摩擦系數達到了0.35和0.4，接近于無織構的光滑試樣脂潤滑摩擦系數。織構的加入在存儲潤滑劑收集磨粒的同時也造成的接觸表面的不完整，不利于潤滑脂成膜連續性，穩定性。顯然在M1B，M2B中織構所起到潤滑劑存儲緩釋減磨效果低于破怪表面帶來的負面效果。由于M1B和M2B試樣織構密度都較小，只能夠儲存少量的潤滑脂，在摩擦運動開始后潤滑脂很快流失出接觸區域造成摩擦系數接近甚至大于無織構表面。其中相比較M1B試樣，M2B試樣的織構形貌不僅不能提供充足的潤滑效果，反而降低承載面積帶來的負面效應過大使其摩擦系數在實驗組中最大。M3B具有最低的摩擦系數，在上下試樣相對運動的時候，由于上下接觸面相互擠壓以及相對位移，部分凹坑內的潤滑脂會被擠出坑彌散到接觸端面，參與成膜。當微織構密度足夠時，微織構凹坑能夠在向接觸端面補充潤滑脂的同時收集即將被磨出接觸范圍的潤滑脂，達到一種平衡狀態，此時的摩擦系數為最小。當織構密度進一步增大至M4B和M5B時，過大的織構面積也意味著過小的接觸承載面積，承載面積過小導致接觸區域潤滑脂承受著較大的剪切應力，直接限制了潤滑膜的厚度。由于下試樣表面為TiAlSiN硬質涂層，而上試樣為316不銹鋼，當織構密度過大時會加劇織構邊緣處的二體磨料磨損，造成摩擦系數增大，上試樣磨損嚴重的結果。M5B相比較M4B其微織構形貌能夠存儲更多的潤滑劑，這也是M5B摩擦系數上升最為緩慢的原因，但是過大的織構密度所導致的承載面積過小使其在潤滑不充分條件下摩擦系數較大，隨著織構凹坑內潤滑脂的不斷流失，端面承載面積過小帶來的負面效果不斷增大，導致其摩擦系數一直呈現上升狀態。

圖7 穩定階段摩擦系數隨織構密度變化示意圖Fig.7 COF of samples with different texture density in stabilization stage

4 結論

（1）TiAlSiN涂層能夠有效的保護TC11鈦合金基體減小接觸面磨損，但不具備降低摩擦系數效果，磨損主要為粘著和磨粒。

（2）TC11鈦合金TiAlSiN涂層表面微織構形貌能夠有效的降低涂層表面摩擦系數，其原因主要為織構形貌具有儲存釋放潤滑劑和收集磨粒作用。

（3）織構密度對摩擦副摩擦系數有較大影響，當接觸表面織構密度為30%時摩擦系數最小，也較為穩定。

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