超聲沖-滾處理工業(yè)純鈦焊接接頭摩擦學(xué)性能研究*

(西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院 陜西西安 710055)

工業(yè)純鈦由于韌塑性好、焊接性能優(yōu)異，近年來(lái)在石油化工行業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前，對(duì)于工業(yè)純鈦焊接接頭的研究主要集中在焊接工藝、組織分析及機(jī)械強(qiáng)度等方面[3-5]，對(duì)磨損性能方面的研究報(bào)道較少。由于純鈦存在硬度低、耐磨性能差，在摩擦?xí)r易產(chǎn)生黏著磨損[6-8]，且焊接接頭區(qū)域組織不均勻，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)整體結(jié)構(gòu)件的性能影響較大。因此，對(duì)于鈦材焊接接頭區(qū)域的強(qiáng)化處理和摩擦磨損性能的研究很有必要。超聲沖擊處理由于操作靈活，設(shè)備簡(jiǎn)單，同時(shí)能夠在金屬材料表層形成較高的殘余壓應(yīng)力，成為理想的材料表面強(qiáng)化處理手段[9-11]。但由于作業(yè)過(guò)程中沖擊針頭易受到阻力而發(fā)生卡頓，單次沖擊覆蓋率較低，同時(shí)針頭的強(qiáng)烈沖擊還會(huì)明顯地增大接頭表面的粗糙度，在接頭處催生缺陷甚至產(chǎn)生廢品。

本文作者在普通針式超聲沖擊處理的基礎(chǔ)上，提出了一種超聲沖-滾處理方法(Ultrasonic Impact-rolling)，對(duì)沖擊針頭進(jìn)行了改進(jìn)，改變?cè)械臎_擊方式，使針頭與材料在水平方向上的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，在獲得更低表面粗糙度的同時(shí)降低沖擊產(chǎn)生溫度，使得處理后的焊縫組織更均勻，整體性能更好。文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同超聲沖-滾工藝處理后工業(yè)純鈦焊接接頭磨損質(zhì)量損失和摩擦因數(shù)的變化，得出試樣耐磨性的變化規(guī)律，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，為工業(yè)純鈦焊接接頭性能優(yōu)化提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為TA2工業(yè)純鈦焊接接頭，鈦板厚度為10 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

表1實(shí)驗(yàn)用TA2的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Table 1 Chemical composition of TA2%

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe≤0.30H≤0.015Si/O≤0.25C≤0.10TiBalN≤0.05

1.2 材料焊接與制備

焊接方式采用鎢極氬弧焊TIG技術(shù)，氬氣純度為99.99%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，焊前對(duì)鈦板進(jìn)行清潔處理，干燥后進(jìn)行焊接。焊后切割焊接鈦板，沿焊縫方向取30 mm切成150 mm×30 mm×10 mm的板條試樣。試樣切割后用丙酮清洗并吹干。

1.3 超聲沖-滾處理設(shè)備與工藝

圖1示出了超聲沖-滾處理裝置的結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中，沖-滾頭均垂直于試件焊縫并沿焊縫方向以一定速度在接頭表面滾動(dòng)前進(jìn)，并沿焊縫往復(fù)沖滾進(jìn)行全覆蓋處理。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)電流與時(shí)間確定超聲沖-滾實(shí)驗(yàn)的最佳工藝條件。參考預(yù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終確定實(shí)驗(yàn)電流參數(shù)為1、1.5 A，處理時(shí)間參數(shù)為3、6、9 min。

圖1 超聲沖-滾處理裝置結(jié)構(gòu)

1.4 性能測(cè)試

采用LEXT OLS4000激光共聚焦掃描顯微鏡對(duì)沖-滾處理后工業(yè)純鈦焊縫區(qū)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)定,采用401-MVD維氏硬度計(jì)測(cè)定各試樣顯微硬度，測(cè)試施加力為1 N，保壓10 s。

沿焊接試樣焊縫中線切割出摩擦磨損試樣，其尺寸為10 mm×10 mm×5 mm。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在HT-1000型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，溫度為室溫，載荷為3 N，試樣盤轉(zhuǎn)速為224 r/min。配副球?yàn)橹睆? mm的GCr15鋼球，球在盤上的磨痕軌跡半徑為3 mm。實(shí)驗(yàn)前后用超聲波清洗試樣5 min，并分別稱量其磨損前后的質(zhì)量。每個(gè)試樣稱量3次并取平均值，精確到0.01 mg。采用TESCAN VEGAⅡ XMU型掃描電子顯微鏡觀測(cè)各試樣的磨損表面形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織結(jié)構(gòu)與XRD分析

對(duì)不同超聲沖-滾工藝處理的工業(yè)純鈦焊接接頭進(jìn)行金相組織觀察，如圖2所示?？梢钥闯?，超聲沖-滾處理后工業(yè)純鈦焊接接頭的表面形成了一定厚度的變形層，這是由于材料表面在沖-滾作用下發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，存在大量細(xì)小的孿晶，加之位錯(cuò)的不斷交割、纏結(jié)，在金相組織照片中呈現(xiàn)較為深暗的顏色，表層晶粒的晶界已經(jīng)變得模糊不清，難以分辨；在劇烈塑性變形區(qū)與基體之間的過(guò)渡區(qū)，塑性變形程度開(kāi)始降低，孿晶數(shù)量減少，交割程度減緩，晶粒也逐漸可以辨認(rèn)；在基體區(qū)，組織形貌逐漸變得清晰，母材區(qū)域?yàn)槿∠螂S機(jī)的等軸晶粒，而焊縫區(qū)域?yàn)楹负竽绦纬傻拇执蠼M織。電流為1 A時(shí)，變形層厚度隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)增加較為明顯；當(dāng)電流為1.5 A時(shí)，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)變形層厚度增加減緩，在處理9 min時(shí)變形層厚度約為320 μm。

圖2 超聲沖-滾處理工業(yè)純鈦焊接接頭橫截面金相組織

圖3示出了各焊縫區(qū)試樣的XRD衍射圖譜。經(jīng)超聲沖-滾處理，圖譜中的特征峰發(fā)生了不同程度的弱化與寬化，各衍射峰向大衍射角方向發(fā)生了略微的偏移。分析認(rèn)為，衍射峰峰型的變化主要受到材料內(nèi)晶粒細(xì)化與晶格畸變兩個(gè)因素影響。

圖3 不同處理工藝下工業(yè)純鈦焊接接頭XRD衍射圖譜

由于受到劇烈塑性變形的影響，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，片層間距減小，特征峰向大角度偏移，當(dāng)發(fā)生X射線衍射時(shí)，接收到的X衍射光強(qiáng)度有所下降，導(dǎo)致衍射峰強(qiáng)度降低[12]。采用jade軟件計(jì)算出表層晶粒尺寸，當(dāng)電流為1 A時(shí)，處理3、6、9 min后晶粒尺寸分別為150.2、103.5、78.9 nm，微觀畸變量約為0.1%～0.25%；電流為1.5 A時(shí)，處理3、6、9 min后晶粒尺寸分別為118.0、82.3、72.6 nm，畸變量升高至0.2%～0.5%，即沖擊能量的增加將會(huì)導(dǎo)致晶粒內(nèi)部發(fā)生更為嚴(yán)重的塑性變形。

2.2 表面粗糙度

圖4、圖5分別示出了不同超聲沖-滾工藝處理下試樣表面三維形貌及表面粗糙度值。可見(jiàn)，處理后試樣表面的粗糙度都有不同程度的增加，這是由于沖-滾處理對(duì)材料表面的強(qiáng)烈沖擊，形成凹坑導(dǎo)致表面不平度增加，因而表面粗糙度有所提高。分析認(rèn)為，在1 A的處理工藝下，由于沖擊電流較小，沖擊強(qiáng)度較弱，材料表面硬度較小，表面粗糙度較低；在處理初期，因處理時(shí)間短，沖擊覆蓋率低，致使材料表面產(chǎn)生起伏較大的凹坑包絡(luò)面，粗糙度迅速增大；隨處理時(shí)間的增加，沖擊覆蓋率提高，凹坑包絡(luò)面重合范圍增大，表面加工硬化加強(qiáng)，使得表面起伏變低，粗糙度降低。隨處理電流的增大，對(duì)材料表面造成的沖擊能量越大，表面的粗糙度也隨之增大。

圖4 不同處理工藝下工業(yè)純鈦焊接接頭表面三維形貌

圖5 不同處理工藝下工業(yè)純鈦焊接接頭表面粗糙度值

2.3 表面顯微硬度

由圖6所示的不同處理工藝下工業(yè)純鈦焊接接頭焊縫區(qū)表層顯微硬度值可以看出，超聲沖-滾處理后焊接接頭表層硬度值都有顯著的提升。未處理試樣的硬度值約為HV146.6 ，隨處理電流的增強(qiáng)及時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度值逐漸增加。當(dāng)超聲沖-滾工藝參數(shù)為1.5 A、9 min時(shí)，其硬度值提升至HV312.8，較未處理材料提高了113.4%。硬度的提升主要是由晶粒細(xì)化與形變強(qiáng)化共同引起，材料表面受到高應(yīng)變速率與大形變量影響，孿晶不斷由小角度晶界向大角度晶界轉(zhuǎn)變，形成更為細(xì)小的晶粒，晶粒的細(xì)化致使晶界迅速增長(zhǎng)并對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)形成阻力使其大量塞積與纏結(jié)，使得該區(qū)域變形抗力增大，塑性變形困難，表現(xiàn)為硬度值的提高。

圖6 不同處理工藝下工業(yè)純鈦焊接接頭焊縫區(qū)表層顯微硬度值

2.4 摩擦磨損性能

圖7所示為各試樣摩擦因數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線，可見(jiàn)，沖-滾處理后的焊縫區(qū)試樣的摩擦因數(shù)穩(wěn)定值均低于未處理試樣，其中電流為1 A時(shí)較1.5 A獲得了更低的摩擦因數(shù)，1 A、9 min處理工藝得到的試樣減摩效果最好，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.33左右。各試樣的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相似，在早期磨合階段，摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。初始摩擦因數(shù)較高，這是因?yàn)楣I(yè)純鈦焊縫區(qū)表面硬度相對(duì)較低，硬度高的GCr15球配副迅速使鈦表面磨損，且由于初始試樣表面粗糙度的存在，試樣與GCr15球接觸面積小，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的切削力較大；隨磨合的進(jìn)行，摩擦表面的尖銳峰被磨平，實(shí)際的接觸面積逐漸增大，表面應(yīng)力減小，磨損減緩，少量脫落磨粒的滾動(dòng)對(duì)接觸面起到了一定的潤(rùn)滑作用，部分滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化成了滾動(dòng)摩擦，摩擦因數(shù)減小至極小值；隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，磨屑逐漸增多，磨粒的滾動(dòng)受阻，摩擦因數(shù)逐漸增大；這一過(guò)程在磨屑足夠多時(shí)達(dá)到了平衡，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。

圖7 不同處理工藝下焊接接頭焊縫 區(qū)摩擦因數(shù)隨磨損時(shí)間的變化

由圖7還可以看出，在早期磨合階段，超聲沖-滾處理后試樣摩擦因數(shù)極小值出現(xiàn)的時(shí)間均較未處理試樣遲且摩擦因數(shù)增加的速率更小。分析認(rèn)為，摩擦因數(shù)極小值出現(xiàn)的時(shí)間與磨屑的大小有關(guān)，在相同載荷下較小粒徑的磨粒對(duì)試樣表面壓痕較淺，切削程度較弱，極小值出現(xiàn)的時(shí)間較晚。隨著磨損的進(jìn)行，相互作用較為劇烈的兩摩擦界面更能快速達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)，即磨損越嚴(yán)重，摩擦因數(shù)增加的速率越大[13]。

圖8所示為不同沖-滾工藝試樣的磨損質(zhì)量損失。可以看出，經(jīng)超聲沖-滾處理后，試樣磨損量均有不同程度的降低，且在低的處理電流下獲得更低的磨損量，這與圖7中摩擦因數(shù)的變化一致。這是由于沖-滾處理試樣表面硬度值的提升，試樣的耐磨性增強(qiáng)，在1 A、9 min的處理工藝下，由于試樣獲得了較小的表面粗糙度[14]和較高的表面硬度，表現(xiàn)為試樣的磨損量小且獲得了更低的摩擦因數(shù)，可認(rèn)為是最優(yōu)的工藝參數(shù)。由此可以看出，沖-滾處理在電流較小的情況下，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料均勻有效的強(qiáng)化。

圖8 不同處理工藝下焊接接頭焊縫區(qū)磨損質(zhì)量損失

圖9所示為各試樣表面磨損形貌SEM照片?？梢钥闯觯p機(jī)制主要表現(xiàn)為嚴(yán)重的磨粒磨損和塑性變形，未處理的焊接接頭試樣磨損形貌還伴有較為嚴(yán)重的黏著磨損。沖-滾處理后試樣磨損形貌較未處理試樣磨痕更淺，磨損程度下降。由于對(duì)摩面上的微凸體或硬質(zhì)磨屑在摩擦過(guò)程中脫落，在磨損區(qū)犁削表面形成較深的溝槽，表面材料向溝槽兩側(cè)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，發(fā)生較大的變形。如此反復(fù)變形，引起材料表面加工硬化和氧化，使裂紋逐漸形核和擴(kuò)展，最終造成材料從表面脫落。與未處理的試樣磨損相比，處理后試樣脫落的磨屑尺寸較小，因而磨損量小，這與磨損量和摩擦因數(shù)的變化也比較一致。分析認(rèn)為，由于超聲沖-滾處理后的焊接接頭試樣表層晶粒尺寸明顯降低，晶粒細(xì)化使得材料強(qiáng)韌性增加，表層與次表層的變形協(xié)調(diào)性增強(qiáng)，開(kāi)裂傾向減弱[15]。同時(shí)材料硬度的提高使得塑性破壞所產(chǎn)生的微小磨粒壓入表層的深度小，裂紋在表面下較淺處形核，且裂紋擴(kuò)展的速度低，因此磨粒較小，從而明顯減弱材料表面的磨損效應(yīng)。

圖9 不同處理工藝下焊接接頭焊縫區(qū)磨損表面SEM形貌

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)工業(yè)純鈦焊接接頭進(jìn)行超聲沖-滾處理，材料表面形成了一定厚度的變形層，表層晶粒被細(xì)化。在處理工藝為1.5 A、9 min時(shí)變形層厚度達(dá)到約320 mm，晶粒細(xì)化至72.6 nm，且表層顯微硬度提升至HV312.8，提升效果最為明顯。

(2)超聲沖-滾處理試樣表面粗糙度值較未處理試樣表面有所提高，電流為1 A時(shí)粗糙度增加程度較小。在處理參數(shù)為1 A、9 min時(shí)，試樣的摩擦因數(shù)及磨損量最小，磨痕更淺，摩擦表面也更平整，摩擦磨損性能有明顯的提升，為最優(yōu)處理工藝。

(3)工業(yè)純鈦焊接接頭焊縫區(qū)磨損機(jī)制為磨粒磨損和黏著磨損共同作用，超聲沖-滾處理減弱了材料表面的磨損程度。