體育器械用TC4 鈦合金的力學與耐磨性能研究

高天悅

( 西安理工大學，陜西西安 710048)

處于高溫狀態時，金屬材料表層能否生成均勻、致密、粘附性較好的氧化膜，是確保材料壽命與使用性能的關鍵。然而實際上，太過完美、極具保護性的氧化膜并不存在，氧化的時間越長，則氧化膜更容易發生封鎖錯位，引發應力，從而便會剝離、裂開、剝落，以此失去對于基體材料的保護［1］。Leyens 等人通過于Ti-1100合金上噴射Ti-51Al-12Cr 涂層，得知750℃高溫狀態下，涂層表面Ti（Cr，Al）相和O2相互反應，從而生成連續地Al2O3氧化膜，其可切實降低Ti-1100 合金氧化程度。Dearaaley 在20 世紀末通過研究發現，在鈦合金中添加釔，可促使鈦合金氧化程度下降，這主要是由于高溫下，釔元素所生成氧化物多數分散于晶界內，以此降低了氧于晶界中的擴散速率，改善了鈦合金抗氧化性能。魏東博通過雙層輝光等離子技術，于鈦合金表層制備了Ti-Cr與Ti-CrNi 涂層，且深入探究了Ni 含量對于抗氧化性能的影響作用，結果表明，Ti-Cr 與Ti-CrNi 合金層的厚度大約在25～35μm 之間，和基體的冶金結合較好，不存在孔洞。處于650～950 ℃時，合金層的Ni 含量為40%（at.）時，Ni 與O 相互反應生成連續NiO 膜，處于Cr2O3膜層下方位置，既可強化氧化層的抗氧能力，又可提高合金層高溫抗氧化能力。宮雪等人通過電弧噴涂法，在純鈦材表面制備了鋁涂層，于800℃下，持續氧化涂層64h，發現電弧噴涂Al 涂層表面生成連續致密Al2O3氧化膜，可切實降低純鈦金屬的氧化程度［2］。基于以上研究結果，本文對體育器械用TC4 鈦合金的力學性能與耐磨性能進行了研究分析。

1 實驗材料

選用體育器械用雙相TC4 鈦合金作為基體，主要成分包含：5.87%的Al、4.04%的V、0.22%的Fe、0.10%的O、0.07% 的C、0.04% 的N、余量Ti；以900 ℃/1h空冷+540℃/5h 空冷為熱處理工藝；選用市場購置的分 析 純NaSiO3、67%（NaPO3）6、99.8% NaOH、98%H2SO4。體育器械用TC4 鈦合金通過蒸餾水進行清洗，于68℃的12g/L 碳酸鈉溶液中浸泡2min 進行除油，于頻率60kHz 下進行酒精超聲波清洗，5min 之后吹干備用［3］。

2 樣品制備

2.1 脈沖陽極氧化樣品制備

自制脈沖陽極氧化控制電源與處理裝置［4］如圖1 所示。

圖1 脈沖陽極氧化處理裝置Fig.1 Pulsed anodic oxidation treatment unit

圖1 中，1-不銹鋼槽；2-溫差電偶；3-攪拌裝置；4-交流電源；5-樣品；6-冷卻系統；7-絕緣板。以不銹鋼為陰極，保持恒流模式，輸入脈沖數為500，電解液配方具體為18g/L Na2SiO3+8g/L（NaPO3）6+1.5g/L NaOH，脈沖陽極氧化頻率為480Hz，終止電壓為300V，槽液冷卻采用循環對流冷卻方式。脈沖陽極氧化時，體育器械用TC4 鈦合金表面存在稍許氣泡。

2.2 直流陽極氧化樣品制備

自制直流陽極氧化處理裝置［5］如圖2 所示。

圖2 直流陽極氧化處理裝置Fig.2 DC anodic oxidation treatment unit

圖2 中，8-陽極；9-陰極。陽極為TC4 鈦合金，陰極為不銹鋼，電極間距設定為2cm。通過直流電源控制外加電壓，以180g/L H2SO4溶液為氧化液，以20℃為溫度控制標準，以1A/dm2為電流密度。直流陽極氧化時，體育器械用TC4 鈦合金表面存在氣泡。以嚴格把控陽極氧化時間進行同等氧化膜厚度的樣品制備，氧化結束之后，以清水清洗干凈，并吹干備用。

3 測試方法

以粗糙度測量儀測量TC4 鈦合金基體與氧化膜粗糙度；以顯微硬度計測量TC4 鈦合金基體與氧化膜硬度；以電腦伺服控制材料試驗機測試室溫拉伸性能；以高周疲勞試驗機測試疲勞壽命，同時基于升降算法測量疲勞強度；以激光共聚焦顯微鏡觀察磨損的磨痕寬度與深度［6］。

4 結果分析

4.1 硬度分析

TC4 鈦合金基體、脈沖陽極氧化膜、直流陽極氧化膜的粗糙度與硬度［7］具體見表1。

表1 TC4 鈦合金基體與氧化膜粗糙度、硬度Table 1 TC4 titanium alloy matrix and oxide film roughness and hardness

由表1 可知，脈沖陽極氧化膜與直流陽極氧化膜的粗糙度明顯大于TC4 鈦合金基體；而脈沖陽極氧化膜的硬度最大，TC4 鈦合金次之，直流陽極氧化膜最小，這可能是由于直流陽極氧化膜的膜層主要是疏松層。

4.2 拉伸性能分析

在室溫狀態下，體育器械用TC4 鈦合金與陽極氧化樣品的拉伸性能［8］見表2。

表2 TC4 鈦合金與陽極氧化樣品室溫拉伸性能Table 2 Tensile properties of titanium alloy TC4 and anodized samples at room temperature

由表2 可以看出，通過陽極氧化處理之后，樣品抗拉強度、塑性延伸強度、斷后伸長率都有所下降，而強度下降的關鍵在于樣品表層存在細微裂紋與孔洞等缺陷。相對于直流陽極氧化，脈沖陽極氧化對于TC4 鈦合金的室溫拉伸性能造成的影響偏小，主要是由于相對直流陽極氧化膜，脈沖陽極氧化膜所含有的致密層更加厚實，并且基體表層損傷較小，在拉伸時，裂縫更加容易衍生于直流陽極氧化樣品表層，從而導致其室溫拉伸性能下降。

4.3 疲勞性能分析

TC4 鈦合金樣品、脈沖陽極氧化樣品、直流陽極氧化樣品的應力-疲勞壽命（S-N）曲線［9］具體如圖3 所示。

圖3 三種樣品的S-N 曲線Fig.3 S-N curves of the three samples

由圖3 可以看出，脈沖陽極氧化樣品S-N 曲線與TC4 鈦合金樣品高度類似，然而疲勞性能卻相對偏低；直流陽極氧化樣品S-N 曲線呈現下降速度非常快的趨勢，其疲勞性能最差。由三種不同樣品S-N 曲線可知，TC4鈦合金的疲勞強度控制在640～-660 MPa 之間；脈沖陽極氧化的疲勞強度控制在610～650 MPa 之間；直流陽極氧化樣品在疲勞強度控制在440～470 MPa 之間。通過升降算法計算獲得TC4 鈦合金樣品、脈沖陽極氧化樣品、直流陽極氧化樣品的疲勞強度分別具體為658、633、459 MPa，由此表明，脈沖陽極氧化樣品疲勞強度更加接近于TC4 鈦合金樣品，并且相對相同氧化膜厚度的直流陽極氧化樣品，強度更大。

4.4 耐磨性分析

在不同載荷下，TC4 鈦合金樣品、脈沖陽極氧化樣品、直流陽極氧化樣品表面都出現了一定的寬度與深度不同程度的磨痕，基于不同載荷的不同樣品磨損的磨痕深度與寬度［10］見表3。

表3 基于不同載荷的不同樣品磨損的磨痕深度與寬度Table 3 Wear mark depth and width of samples based on different loads

由表3 可知，通過陽極氧化處理之后，于相同載荷條件下，相對于基體，樣品表層磨痕深度與寬度都明顯較小，這表明表面處理可顯著提升基體耐磨性；三種樣品中，脈沖陽極氧化樣品磨痕深度與寬度最小，則耐磨性最佳。就脈沖陽極氧化樣品來講，和基體相互銜接的過渡層相對偏薄，大約占據氧化膜厚度三分之二的致密層與占據氧化膜厚度三分之一的疏松層，和基體之間并未直接實現有機結合，表面疏松層的孔洞，以及受金屬、氧化物熱膨脹系數不同影響生成微裂痕，可有效提升表面粗糙度，還可降低材料硬度，然而因為內部過渡層和基體的結合較完善，并且緊鄰致密層相對厚實，脈沖陽極氧化膜的硬度、塑性、耐磨性、抗疲勞性都比較高。而就直流陽極氧化樣品而言，TC4 鈦合金基體在氧化時，會受硫酸槽液影響被侵蝕，從而于表面生成孔洞與裂痕，并且氧化膜大多是多孔洞疏松層，內應力比較大，易在受力時造成開裂，導致材料強度、耐磨性、抗疲勞性下降。

5 結論

綜上所述，TC4 鈦合金以其耐腐蝕性、密度小、比強度高、韌性與焊接性良好等優勢，實現了在多種體育器械中的廣泛應用，據此本文針對其力學性能與耐磨性能進行了實驗研究。結果表明，TC4 鈦合金基體在經過脈沖陽極氧化與直流陽極氧化處理之后，所獲得氧化膜的粗糙度相對于基體更大，而脈沖陽極氧化膜的硬度最大，TC4 鈦合金次之，直流陽極氧化膜最小；通過陽極氧化處理之后，樣品抗拉強度、塑性延伸強度、斷后伸長率都有所下降，而強度下降的關鍵在于樣品表層存在細微裂紋與孔洞等缺陷，相對于直流陽極氧化，脈沖陽極氧化對于TC4 鈦合金的室溫拉伸性能造成的影響偏小；脈沖陽極氧化樣品疲勞強度更加接近于TC4 鈦合金樣品，并且相對相同氧化膜厚度的直流陽極氧化樣品，強度更大；通過陽極氧化處理之后，于相同載荷條件下，相對于基體，樣品表層磨痕深度與寬度都明顯較小，表明表面處理可顯著提升基體耐磨性。