Ti6Al4V合金的磨损行为和磨损机制

茅奕舒， 崔向红， 王树奇， 李冬升， 杨子润， 孙 瑜

(1.江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江212013;2.盐城工学院材料工程学院，江苏盐城224051)

钛合金具有耐腐蚀、比强度高等突出优点而被称作“太空金属”、“海洋金属”，在航空航天、船舶、化工和汽车等工业中有着广泛的应用前景［1］。在钛合金中，以牌号TC4(国际牌号Ti6Al4V)的应用最为广泛，用量约占现有钛合金生产量的一半［2］。摩擦所导致的磨损是机械设备失效的主要原因之一［3～5］。而Ti6Al4V合金低的耐磨性，限制了其在摩擦磨损场合下的应用［6，7］。

目前，对钛合金的摩擦磨损性能的研究报道较少，而且通常有报道称Ti6Al4V合金由于较低的塑性剪切抗力和表面氧化物保护性而具有较差的耐磨性［6～12］。Straffelini和Molinari［8～10］研究了Ti6Al4V合金的干滑动磨损行为，他们认为Ti6Al4V合金摩擦层附着力差而脆，故无保护作用。Qiu等［11］研究Ti6Al4V合金的干滑动磨损特性发现，随着磨损表面温度的提高，磨面上形成氧化物 TiO，TiO2和V3O4，而低的耐磨性是由于形成疏松氧化物层。Alam 和 Haseeb［12］对 比 研 究 了 Ti6Al4V 和Ti24Al11Nb合金的干滑动磨损性能，同样指出Ti6Al4V合金摩擦氧化物不具备保护作用。然而，上述研究对Ti6Al4V合金的耐磨性和摩擦氧化物低的保护性的结论缺少直接证据。而对不同温度下摩擦氧化物的形成和减磨作用以及Ti6Al4V合金在不同温度下的耐磨性、磨损行为和磨损机制至今尚无报道。本工作对Ti6Al4V进行固溶时效处理，通过干摩擦磨损实验，研究Ti6Al4V合金在不同温度下的磨损行为和耐磨性，并探讨其磨损机制。

1 实验过程

实验材料为Ti6Al4V合金，其主要化学成分如表1所示。经955℃/2h，水冷后+482℃/4h空冷固溶时效处理后，其硬度值为40HRC。

表1 Ti6Al4V合金的主要化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of Ti6Al4V alloy (mass fraction/%)

干摩擦磨损实验在MG-2000高温高速磨损试验机上进行，温度由镍铬-镍硅热电偶和自动控温装置控制。销试样(φ6mm×12mm)为Ti6Al4V合金，对磨盘(φ70mm×8mm)为 GCr15钢，硬度为50HRC。实验温度分别为25℃，200℃，400℃，载荷分别为50N，100N，150N，200N，250N。滑动速率为1m/s，滑动距离为1.2×103m(磨损时间约20min)。实验前后将销试样和磨盘用丙酮清洗干净并干燥，用精度为0.01mg的电子天平对磨损前后的销试样进行称量，计算其磨损失重来衡量耐磨性。取三次实验结果的平均值。采用D/Max-2500/pc型X-ray衍射仪和JSM-7001F型的扫描电镜(SEM)及随带的Inca Energy 350型能谱仪对磨损表面和剖面的物相、形貌和成分进行分析。

2 实验结果与分析

2.1 Ti6Al4V合金在不同工况下的磨损行为

图1示出不同环境温度下Ti6Al4V合金的磨损量与载荷的关系。可以看出，环境温度25℃时，磨损量随载荷的增加而逐渐升高。环境温度200℃，载荷50～150N之间的磨损量略高于25℃时的情况，载荷大于200N时，磨损量快速升高。环境温度400℃，载荷50N时的磨损量与25℃和200℃时接近，然而当载荷增至100N时磨损量显著降低;载荷为100～200N时，磨损量略增，整体低于25℃和200℃下的磨损量，表现出高的高温耐磨性。当载荷高于200N，磨损量又发生急剧上升，出现轻微磨损向严重磨损转变。

图1 不同环境温度、载荷下Ti6Al4V合金的磨损失重Fig.1 Wear loss of Ti6Al4V alloy as a function of ambient temperature and load

2.2 Ti6Al4V合金磨面的物相分析

图2为Ti6Al4V合金在不同条件下磨损后磨面的XRD分析结果。在25℃和200℃下，XRD结果表明，磨面主要为α-Ti，没有发现氧化物(图2a，b)。400℃，在50N时也没有氧化物出现，当载荷增加至100～200N时，磨面有大量的氧化物Ti8O15和TiO2产生(如图2c所示)。当载荷为250N时，磨面氧化物消失。很明显，氧化物的出现影响了Ti6Al4V合金的磨损机制，导致不同温度、载荷下材料的磨损行为差异较大。

图2 Ti6Al4V合金不同条件下磨面的XRD分析结果 (a)25℃;(b)200℃;(c)400℃Fig.2 X-ray diffraction patterns for worn surfaces of Ti6Al4V alloy sliding under various conditions(a)25℃;(b)200℃;(c)400℃

2.3 Ti6Al4V合金磨面形貌分析

图3为不同条件下Ti6Al4V合金的磨面形貌。25～200℃/50N下，磨面呈现典型的黏着痕迹和犁沟(图3a，c)。随着载荷增加到100N时，磨面出现撕裂状塑性变形及磨粒犁沟(图3b，d)。400℃/ 50N时磨面仍呈黏着磨损痕迹(图3e);当载荷达到

2.4 Ti6Al4V合金磨损剖面分析

图3 不同条件下Ti6Al4V合金的磨面形貌 (a)25℃/50N;(b)25℃/100N; (c)200℃/50N;(d)200℃/100N/;(e)400℃/50N;(f)400℃/100N;(g)400℃/250NFig.3 Morphology ofworn surfaces of Ti6Al4V alloy sliding under various conditions (a)25℃/50N;(b)25℃/100N; (c)200℃/50N;(d)200℃/100N;(e)400℃/50N;(f)400℃/100N;(g)400℃/250N

图4和表2给出了不同条件下Ti6Al4V合金的100N时，磨面变得光滑(图3f)，这可能是磨面出现氧化物的缘故(图2c)。随着载荷的增加，磨面出现剥落坑。当载荷达到250N时，磨面的形貌与存在氧化物的磨面完全不同。由XRD结果可知，磨损氧化物基本消失(图2c)，磨面发生较显著的塑性变形(图3g)。磨损剖面的分析结果。可以看出，在不同条件下磨损时，Ti6Al4V合金磨损表面上均形成摩擦层，所形成摩擦层的成分、厚度及性能随磨损条件不同而发生改变。在温度25～200℃时摩擦层几乎不含氧或含极微量的氧，而400℃时摩擦层含较多的氧。这与图2的XRD结果是一致的。在低载时(50N)，随着温度提高，摩擦层从8μm增加到20μm。而高载时，不同温度下摩擦层均可达到20μm。然而，在较低温度(25～200℃)或较低载荷(50N)下，摩擦层硬度与基体硬度相近，仅略高于基体。而在400℃/ 100～200N摩擦时，摩擦层(565HV)的硬度明显高于基体(310～355HV)硬度。可以推测，高硬度的摩擦层具有较高的抗磨性，由此不难理解400℃/100～200N时Ti6Al4V合金具有低的磨损量。

图4 不同条件下Ti6Al4V合金的剖面形貌和EDS线分析 (a)25℃/100N;(b)200℃/100N;(c)400℃/100NFig.4 Morphology and EDS line analysis of subsurface of Ti6Al4V alloy sliding under various conditions (a)25℃/100N;(b)200℃/100N;(c)400℃/100N

表2 Ti6Al4V合金在不同条件下磨损过程中摩擦层的厚度和硬度Table 2 Thickness and hardness of tribo-layer in Ti6Al4V alloy under various conditions

3 讨论

近来，一些研究报道了关于Ti6Al4V合金在不同滑动速率和载荷下的磨损行为和磨损机制［8～12］。Straffelini和Molinari系统地研究了Ti6Al4V合金在不同滑动速率和载荷下的磨损机制［8～10］。研究发现随着滑动速率的增加出现了氧化磨损到剥层磨损的转变，表面氧化物也更易剥落，从而导致Ti6Al4V合金耐磨性下降。Qiu等［11］研究了在较高的滑动速率下摩擦热对Ti6Al4V合金摩擦磨损行为的影响。发现随着磨损温度的升高，在磨损表面生成了氧化物TiO，TiO2和V3O4。他们认为随着滑动速率的升高，Ti6Al4V合金磨损性能降低的原因是形成了疏松的氧化物层。Alam和Haseeb［12］研究了Ti6Al4V和Ti24Al11Nb合金与淬火钢进行干摩擦磨损特性，指出Ti6Al4V合金耐磨性能差是由于剥落严重; Ti24Al11Nb合金较低的磨损率与这种合金保护层上形成的TiNb氧化物有关。这种磨损是由黏着和磨粒两方面共同作用导致而非磨损氧化物的影响。

经XRD检测和磨面形貌分析可知，在25℃和200℃下，Ti6Al4V合金在磨损过程中磨面均未生成氧化物，说明钛合金具有较强的抗氧化性。在25℃和200℃下，磨面均呈现典型的黏着痕迹和犁沟形貌，磨损机理为黏着磨损和磨粒磨损。400℃下的磨损情况与25～200℃下的情况差异较大。400℃/50N时，磨面仍呈现黏着痕迹，这时无氧化物生成，故仍为黏着磨损。当载荷在100～200N之间时，磨面有大量的Ti8O15和TiO2生成，氧化物的出现明显对磨面起到保护作用，磨损失重明显降低，且在100N时出现了最低磨损率。这时磨面出现大量的氧化层和少量的剥落坑，为轻微氧化磨损。由于氧化物的减磨作用，在100～200N载荷间磨损失重增加缓慢;当载荷继续升高到250N时，由于钛合金发生较大塑性变形，导致磨面氧化物大量剥落直到消失，磨面出现显著的塑性流变痕迹。

从磨面的剖面分析可以看出，Ti6Al4V合金在磨损过程中均可以形成摩擦层。其形成是由于磨屑在磨面之间受到反复挤压甚至烧结，使得表面与基体性质不同，属于典型的机械混合层。磨面XRD衍射谱中Ti衍射峰明显宽化，说明在摩擦层中晶粒细化、缺陷密度升高并有较高的微观应力存在。然而，在25～200℃时，这样的摩擦层与基体的性能是相近的，并没有对磨损产生减磨作用。而在400℃/ 100～200N时摩擦氧化物出现在摩擦层时，摩擦层的性能显著提高，其硬度为565HV，明显高于基体硬度，这样硬而厚的摩擦层存在，对基体磨损产生显著的减磨作用。

许多研究者认为钛合金具有低的耐磨性，并把其归因于摩擦氧化物不具有保护作用［6～12］。然而通过分析可知，钛合金在一定条件下具有高耐磨性，如其高温耐磨性，而且当摩擦氧化物达到一定量时具有显著的减磨作用。

4 结论

(1)25℃时，磨损量随载荷的增加逐渐升高; 200℃的磨损量高于25℃，并且在200N时开始显著增加;400℃/50～100N，磨损率降至最低，随后磨损率略有提高，200N后又明显升高，其磨损量明显低于25～200℃下的磨损量。可见，Ti6Al4V合金具有高的高温耐磨性。

(2)从磨面的XRD和SEM分析结果可知，25～200℃下磨面无氧化物生成，属黏着磨损和磨粒磨损;400℃/100～200N出现氧化物，氧化物主要是Ti8O15和TiO2，为氧化轻微磨损。

(3)磨损过程中形成的摩擦层为机械混合层，其成分、厚度及性能因实验条件不同而不同，当400℃/100～200N时，机械混合层中含有氧化物Ti8O15和TiO2，这样硬的机械混合层具有显著的减磨作用。

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