電脈沖輔助超聲滾壓處理鈦合金表面氧化層研究*

王保坤，王浩宇,2，紀(jì)仁杰，鄭 茜，董天聰，劉永紅

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東），青島 266580；2.青島鼎信通訊股份有限公司，青島 266109）

TC4鈦合金具有優(yōu)異的性能，如比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，性能穩(wěn)定等[1–3]，被廣泛應(yīng)用在航空領(lǐng)域，是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、盤件的重要結(jié)構(gòu)部件材料[4–5]。但是TC4鈦合金表面易黏著，耐磨性差[6–8]，嚴(yán)重限制了它的使用性及應(yīng)用范圍。

在高于500℃的環(huán)境中TC4鈦合金極易被氧化形成由TiO、TiO2、Al2O3等氧化物組成的氧化層及氧元素繼續(xù)深入形成的α相富氧層[9–10]。熱氧化處理是提高鈦合金磨損性能的一種改性方法，通過(guò)人為促進(jìn)鈦的氧化，在表面形成氧化膜對(duì)表面提供保護(hù)[11–15]。氧對(duì)鈦合金具有顯著的固溶強(qiáng)化作用，氧化層的存在對(duì)于提高鈦合金耐磨性能有很大意義[16]。Chelliah等[17]研究鈦的干滑動(dòng)磨損行為時(shí)指出，摩擦氧化層對(duì)鈦的干滑動(dòng)磨損具有減緩作用；Dong等[18]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)熱氧化處理的TC4鈦合金在與超高分子量聚乙烯對(duì)磨中表現(xiàn)出優(yōu)秀的磨損性能，磨損率明顯降低。鈦合金的氧化膜結(jié)構(gòu)直接影響其耐磨性能[6]，如何簡(jiǎn)單有效地形成均勻致密的氧化層仍然是一個(gè)待解決的問(wèn)題。

電脈沖輔助超聲滾壓技術(shù)是一種新興的表面處理方法，它能夠使金屬材料表面晶粒細(xì)化，形成梯度結(jié)構(gòu)強(qiáng)化層，顯著提高材料宏觀力學(xué)性能。Ji等[19–20]利用電脈沖輔助超聲滾壓處理鎳基高溫合金改善了其摩擦磨損性能。Ye[21]、Wang[22]和Liu[23]等用電脈沖輔助滾壓處理了鈦合金、低碳鋼和不銹鋼。Ye等[24]對(duì)純鈦進(jìn)行了電脈沖輔助超聲滾壓處理，從而降低了摩擦系數(shù)和磨損量。但是利用這種方法對(duì)表面氧化層進(jìn)行改性還未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。

本研究旨在利用電脈沖輔助超聲滾壓處理技術(shù)對(duì)TC4鈦合金表面氧化層進(jìn)行處理，并對(duì)處理后材料耐磨性進(jìn)行分析和機(jī)理研究。

試驗(yàn)及方法

本試驗(yàn)所用材料為雙重退火態(tài)TC4鈦合金棒料，直徑為40mm，其成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）由能譜掃描測(cè)定，如表1所示。表面經(jīng)熱處理過(guò)程氧化生成厚約120μm的氧化層，如圖1所示，包括疏松氧化層和富氧α相層。

圖1 TC4鈦合金棒料截面SEM圖Fig.1 SEM image of cross section of TC4 titanium alloy bar

表1 TC4鈦合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 TC4 titanium alloy element content（mass fraction）%

對(duì)熱處理后的鈦合金棒料進(jìn)行電脈沖輔助超聲滾壓處理，圖2是電脈沖輔助超聲滾壓處理原理圖及設(shè)備實(shí)物圖。處理設(shè)備主要由脈沖電源、超聲信號(hào)發(fā)生器、空氣壓縮機(jī)、超聲處理裝置和機(jī)床組成。處理過(guò)程中試樣夾持在車床三爪卡盤上并隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖電流由脈沖電源產(chǎn)生，經(jīng)上下兩側(cè)碳刷加載到試樣圓柱面上，超聲設(shè)備尖端以指定氣缸靜壓力擠壓試樣，同時(shí)軸向進(jìn)給。在電脈沖輔助超聲滾壓處理過(guò)程中，利用脈沖電流的電塑性效應(yīng)提高材料表面塑性，同時(shí)超聲工具頭對(duì)試樣表面進(jìn)行超聲滾壓處理。

圖2 電脈沖輔助超聲滾壓處理原理圖及設(shè)備實(shí)物圖Fig.2 Schematic diagram and equipment physical picture of electropulsing-assisted ultrasonic rolling

針對(duì)TC4鈦合金的物理屬性、加工質(zhì)量和效率，選取合適的處理參數(shù)。在電脈沖輔助超聲滾壓處理過(guò)程中，工具頭選用直徑6mm氮化硅陶瓷滾珠，選取車床轉(zhuǎn)速24r/min，進(jìn)給速度0.12mm/r，超聲頻率25kHz，超聲振幅8μm，加工道次為4道，氣缸靜壓力保持600N，脈沖電流頻率設(shè)置1000Hz，電脈沖峰值電流取400A。利用相同參數(shù)下僅超聲滾壓處理試樣與400A電流條件下處理試樣做對(duì)比。

試樣加工前后表層截面組織形貌使用金相顯微鏡（LW200–4CS）進(jìn)行觀察。使用HVS–1000Z顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，摩擦磨損檢測(cè)使用直線往復(fù)式摩擦磨損測(cè)試儀CETR–UMT–3MO進(jìn)行，使用JXA–8230電子探針儀對(duì)磨損試樣表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。

結(jié)果與討論

1 表層截面金相組織分析

圖3是TC4鈦合金經(jīng)僅超聲滾壓和400A電脈沖輔助超聲滾壓處理后的截面金相組織圖，腐蝕劑成分為HF∶HNO3∶H2O=1∶4∶15。由圖3（a）可知，對(duì)雙重退火態(tài)TC4鈦合金進(jìn)行僅超聲滾壓處理后，表面氧化層（疏松氧化層和富氧α相層）厚度由圖1所示處理前的120μm變?yōu)?5μm，整體壓縮約35μm，表層存在較多缺陷，例如凹坑（圖3（a）中Ⅰ）、裂紋（圖3（a）中Ⅱ）和凸起（圖3（a）中Ⅲ）。由于表面氧化層硬度高，塑性差，僅超聲滾壓處理對(duì)表面沖擊不足，導(dǎo)致整體變形受限。

試樣經(jīng)峰值電流400A的電脈沖輔助超聲滾壓處理后，表面形成約11μm厚的致密α相氧化層，如圖3（b）所示。在處理過(guò)程中，由于氮化硅滾珠對(duì)材料表面存在切向力，疏松氧化層出現(xiàn)一定程度的剝落，剩余部分疏松氧化層同富氧α相層在滾壓過(guò)程中被壓縮。處理后表面120μm氧化層被整體壓縮至11μm，而且表層組織致密、均勻，表面平整，缺陷少。致密α相氧化層之上為β相層。由于表面氧化層硬度高于鈦合金內(nèi)部基體，原本鈦合金細(xì)長(zhǎng)條狀β相在靠近致密α相氧化層部位被拉扯，發(fā)生劇烈形變，在表面致密α相氧化層至50μm左右形成了與鈦合金軸向平行的細(xì)條狀β相。隨著深度增加，復(fù)合處理影響逐漸減小，呈現(xiàn)出基體的網(wǎng)狀β相組織。

圖3 不同處理方式試樣截面金相圖Fig.3 Metallographic diagrams of cross section of specimens with different peak pulse current assisted ultrasonic rolling treatment methods

2 耐磨性分析

直線往復(fù)磨損試驗(yàn)后，不同處理方式試樣磨損量和表面顯微硬度如圖4所示。未處理試樣表面因氧化層存在硬度較高，但疏松的氧化層造成了大的磨損量。車削試樣表面氧化層完全去除，硬度最低。僅超聲滾壓處理試樣與未處理試樣、車削試樣相比，表面硬度提高，磨損量降低。而經(jīng)峰值電流400A處理后，試樣表面硬度最高、磨損量最小，磨損量約為車削試樣的一半。

圖4 不同處理方式試樣磨損量與表面硬度圖Fig.4 Wear and surface hardness of the samples in different treatments

直線往復(fù)磨損試驗(yàn)各試樣摩擦系數(shù)曲線如圖5所示。車削試樣呈普通摩擦系數(shù)曲線形式，未處理試樣、僅超聲滾壓試樣和400A電脈沖輔助超聲滾壓試樣在摩擦初期摩擦系數(shù)較低，隨后迅速升高并逐漸穩(wěn)定。低摩擦系數(shù)階段形成的原因是3種試樣表面存在的高硬度氧化層能在磨擦過(guò)程中提供保護(hù)作用。試樣經(jīng)400A電脈沖輔助超聲滾壓處理后表面形成致密α相氧化層，其表層致密均勻，表面完整性好，缺陷少，所以與未處理試樣、僅超聲滾壓試樣相比，能維持更長(zhǎng)時(shí)間的低摩擦系數(shù)。氧化層一旦被破壞，摩擦系數(shù)迅速升高，而且由于表面硬度高，基體硬度低，破損的試樣表面氧化層增大平穩(wěn)磨損階段試樣摩擦系數(shù)，所以平穩(wěn)階段這3種試樣摩擦系數(shù)高于車削試樣。摩擦系數(shù)穩(wěn)定后，車削試樣摩擦系數(shù)最小，約為0.36；峰值電流400A處理試樣摩擦系數(shù)約為0.49，而未處理試樣和僅超聲滾壓處理試樣摩擦系數(shù)較大，約為0.57。

圖5 不同處理方式試樣摩擦系數(shù)Fig.5 Friction coefficient of the samples with different treatment methods

不同處理方式下試樣表面磨痕形貌如圖6所示。未處理試樣磨損表面顯示出差的耐磨損性能，如圖6（a）和（b）所示。在磨損表面可以觀察典型犁溝狀磨損，表面存在大量磨粒和材料剝落，犁溝狀磨損邊緣存在塑性變形。其中有數(shù)量眾多的細(xì)小犁溝和一個(gè)寬且深的大犁溝。大犁溝兩端有許多磨屑堆積，同時(shí)犁溝中部散落大量白色顆粒。僅超聲滾壓處理試樣磨損表面同樣觀察到眾多細(xì)小犁溝與一條粗大犁溝的現(xiàn)象，如圖6（c）和（d）所示。細(xì)小犁溝數(shù)量以及粗大犁溝寬度值明顯小于未處理試樣磨損表面，同時(shí)白色磨粒數(shù)量減少。圖6（e）和（f）所示為峰值電流400A電脈沖輔助超聲滾壓處理試樣，磨損表面犁溝淺，磨損均勻，白色磨粒少，表面表現(xiàn)出好的磨損性能。磨損表面犁溝主要是由于試樣表面材料剝落，形成高硬磨屑，在工件與壓頭對(duì)磨過(guò)程中破壞材料表面造成。圖6（g）和（h）是車削試樣磨損表面，車削磨損表面白色磨粒較少，同樣的犁溝數(shù)量較少。這是由于車削去除鈦合金表面富氧α相層后，車削試樣表面硬度分布均勻，不會(huì)產(chǎn)生高硬磨屑，犁溝數(shù)量少。但由于表層硬度低，磨損表面發(fā)生塑性變形。

圖6 不同處理方式試樣磨痕形貌Fig.6 Wear scar morphology with different treatment methods

經(jīng)峰值電流400A電脈沖輔助超聲滾壓處理后試樣磨損量最低，摩擦系數(shù)小，磨損表面磨粒少，表面平整，犁溝少。證明峰值電流400A電脈沖輔助超聲滾壓處理后形成的致密氧化層具有優(yōu)秀的摩擦磨損性能，與僅超聲滾壓和車削等方式相比，進(jìn)一步提高了TC4鈦合金表面性能。

3 致密氧化層形成機(jī)理

致密氧化層的形成是電塑性效應(yīng)、電熱效應(yīng)和超聲沖擊共同作用的結(jié)果。脈沖電流的電塑性效應(yīng)使表面氧化層塑性提高、硬度降低，而脈沖電流的電熱效應(yīng)會(huì)使試樣處理位置溫度升高，有利于降低表面氧化層變形應(yīng)力。在處理過(guò)程中，由于超聲滾珠對(duì)試樣表面切向力的存在，導(dǎo)致少部分疏松氧化層隨工件旋轉(zhuǎn)剝落，同時(shí)超聲滾壓產(chǎn)生大的法向接觸壓力，隨超聲振動(dòng)周期性沖擊加工位置，加工位置表面氧化層產(chǎn)生劇烈的塑性形變，形成高密度位錯(cuò)，團(tuán)簇狀α晶粒解聚，粗大晶粒逐漸細(xì)化。隨著加工道次的增加，表面氧化層逐漸變薄且致密，最終形成表面致密α相層。此外，脈沖電流使樣品中的原始微裂紋和組織缺陷逐漸愈合或減少，從而使表面氧化層結(jié)構(gòu)在處理后更加致密和均勻。

結(jié)論

對(duì)雙重退火態(tài)TC4鈦合金進(jìn)行電脈沖輔助超聲滾壓處理，并對(duì)處理后表面性能進(jìn)行檢測(cè)分析，得到以下結(jié)論。

（1）經(jīng)電脈沖輔助超聲滾壓處理后，鈦合金表面120μm的疏松氧化層和富氧α相層被去除、壓縮，形成11μm均勻致密氧化層，開(kāi)拓了制備致密氧化層的新途徑。

（2）400A條件下處理后形成的致密氧化層表現(xiàn)出優(yōu)秀的耐磨損性能，磨損量為車削試樣的一半，能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間的低摩擦系數(shù)，磨損表面磨粒少、表面平整、犁溝少。