钛合金切削过程氧化膜特性研究

沈号伦，李金泉

(沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳 110159)

0 前言

钛合金(Ti-6Al-4V)比强度高、耐热性好、耐腐蚀性强，被广泛应用于航空航天、船舶、石油和军工等领域[1]。

钛原子的化学性质活跃，高温下可在表面生成致密的氧化膜，抑制氧原子向钛合金内部扩散，阻止钛合金进一步被氧化[2]，其耐腐蚀性能提高[3]。随着切削温度的提升，钛合金表面会发生严重的氧化反应甚至是氧脆[4]。

氧化膜在热氧化、化学氧化、阳极氧化和氮化等不同的氧化工艺下表面会呈现不同的颜色[5-6]。近年来，经表面着色所制成的多彩钛已在建筑材料、生活装饰用品等领域得到应用[7]。医疗方面，通过筛选与牙根和牙龈颜色相近的钛合金基台，可以增强口腔美观[8]；在信息领域，通过飞秒激光诱导钛合金表面氧化获得高容量颜色代码，实现信息的加密[9]；军事上，通过制备钛合金黑色微弧氧化膜层可以提高其保护性能和消光性能，提高了光学仪表盘等的消光效果，在飞机、导弹等武器装备上应用广泛[10]。

高温下，氧化膜疏松多孔，氧原子渗入基体，与钛原子发生氧化反应，生成高价的钛氧化物。有些氧化膜不稳定，可能与基体分裂，甚至剥落[2]，故为了提高钛合金材料的组织性能，对其氧化层的研究有着重大的意义。DEARNLEY等[11]研究发现，Ti-6Al-4V材料通过 600 ℃/36 h 热氧化后，外层形成了大约0.8 μm 厚的TiO2层，此时其硬度能够达到1 000HV，生成的氧化膜提高了Ti-6Al-4V的抗腐蚀性。GULERYUZ和CIMENOGLU[12]分析了热氧化对Ti-6Al-4V材料的腐蚀性能以及磨损性能的影响，结果表明最为理想的热氧化工艺设定为 600 ℃/60 h，在0.9%NaCl溶液中进行磨损测试，发现热氧化后材料的磨损性能提升了25倍。

WANG 、LIU[13]对车削加工后钛合金表面进行TEM、EBSD和XRD实验，发现随着切削速度的增加变形孪晶形成，且孪晶的体积分数随着速度的增加而变大；在切削加工过程中发生相变，由α相变成β相[14]，在冷却过程中β相会分解为次级α相。PENG等[15]使用SEM对不同切削速度下钛合金横截面进行观察，在氧化膜区发现了剪切滑移以及严重的塑性变形晶粒。切削加工过程中钛合金氧化的本质与热氧化的方法相同，但与热氧化不同的是，切削过程中，在强烈的热-力耦合作用下，被加工材料表层的微观组织会发生复杂演变，导致加工表层材料发生微观变形以及相变[16]。在高速切削过程中，不同切削参数切削钛合金的氧化效果不同，对钛合金的力学性能有不同的影响[17]。目前，有关钛合金切削加工表面氧化膜颜色形成机制和影响因素鲜有研究，因此，本文作者针对钛合金切削过程加工表面的变形特征，对氧化膜表面进行物相分析，并研究氧化膜表面颜色的形成机制，对氧化膜的表面改性和应用有借鉴意义。

1 试验方案

为研究氧化膜特性，进行只改变进给量的单因素干式切削试验，试验设备为CA6140A车床，试验材料为钛合金Ti-6Al-4V，退火态，试样长度为300 mm，直径为90 mm，其化学成分见表1。采用涂层硬质合金刀具，刀具型号CCMT09T308-MF1105，主偏角kr=90°，刃倾角λs=0°，前角λ0=0°，后角α0=7°。将试样沿工件长度方向，按照不同的切削速度标记分段。切削加工方案如表2所示。并对工件已加工圆弧表面进行线切割制成块状试样，采用Shimadzu XRD-7000S 衍射仪对试样表面进行物相分析。

表1 钛合金(Ti-6Al-4V)的化学成分 单位：%

表2 钛合金切削方案

2 结果与讨论

2.1 加工表面氧化膜物相分析

图1所示为不同进给量下钛合金试样表面的XRD衍射。可知：钛合金表面主要由α-Ti、β-Ti、Al2O3、锐钛矿型 TiO2(Anatase)和金红石型 TiO2(Rutile)组成，说明切削加工过程中钛合金发生了氧化反应，出现α-Ti的衍射峰是由于切削加工过程中生成的氧化膜较薄，X射线能够穿透氧化膜检测到金属基体。当进给量增加时，锐钛矿型 TiO2衍射峰强度降低，金红石型 TiO2的衍射峰强度增加，说明部分亚稳定态的锐钛矿型 TiO2转化成热稳定的金红石型 TiO2，使得金红石型 TiO2含量增多。α-Ti的衍射峰强度降低，说明氧化膜的厚度逐渐增大，X射线能够检测到的基体部分减少。Al2O3的衍射峰强度稍有增加但远小于TiO2的，说明钛合金氧化膜主要由TiO2构成。金红石型TiO2比锐钛矿型TiO2的晶体密度大，折射率、硬度、界电常数等物理性质优于锐钛矿型TiO2[18]。

图1 不同进给量下钛合金试样表面的XRD衍射

2.2 表层变形特性

图2所示为金相显微镜下钛合金试样的截面。切削加工后试样由表层到内部可以划分为3个区域，分别为氧化膜区、塑性变形区及基体。切削过程中，在强烈的热-力耦合作用下，被加工材料表层的微观组织晶粒细化程度加强，导致加工表层材料产生严重的塑性变形。同时切削过程中产生的切削热使得钛合金表面材料被氧化，生成了一层薄且透明的氧化膜。

塑性变形层厚度随进给量增大而增大，分别约为10、17.5、32 μm。越靠近表面，晶粒扭转越大，伴随着晶粒细化现象，排列紧密。晶粒变形方向都朝着切削速度方向，越靠近表面晶粒被拉长越厉害，出现纤维化，靠近表面处堆积在一起。

2.3 切削过程氧化膜表面颜色形成机制

图3所示为不同进给量下钛合金TC4试样加工表面形貌。随着进给量的增大，加工表面相邻波峰波谷之间的间距增大，颜色也发生改变，从青绿色(图3(a))到黄绿夹杂部分紫色(图3(b))再到深桔色(图3(c))。

图3 钛合金加工表面的形貌

钛合金加工表面显示不同颜色主要是基于薄膜干涉原理。当一束可见光照射在透明的TiO2氧化膜表面时，一部分经过上表面M反射后得第一束光f，另一部分透过上表面M在氧化膜区发生折射，由于各色光的折射角不同，可见光分解为不同波长的单色光，发生光的色散现象。折射光经薄膜下表面N反射，又经上表面M折射后得第二束光s，这两条光线都由同一条入射光线l分解而来，频率相同、相差恒定，为相干光。因此，在空间相干叠加，产生干涉，形成了新的光波，呈现相应的颜色，如图4所示。

图4 薄膜干涉原理

描述薄膜干涉中两相干光光程差的菲涅耳的公式为

式中：δ为膜层上下表面反射光的光程差；n1和n2分别为空气和氧化膜的折射率；d为入射点的薄膜厚度；i为入射角；λ为入射光的波长。光程差与薄膜厚度、薄膜的折射率和入射角有关，薄膜厚度和折射率越大，入射角越小，光程差越大，干涉后的波长越长。可见光是由多种颜色的光波复合而成，其中，红色波长为770～622 nm，橙色波长为622～597 nm，黄色波长为597～577 nm，绿色波长为577～492 nm，蓝色和靛色波长为492～455 nm，紫色波长为455～355 nm，依次变小。在其他条件不变的情况下，光程差只与薄膜的厚度有关。

根据菲涅耳公式，当光程差是光在真空中波长的整数倍时，相位差为2nπ，相长干涉，光变强，显示相应波长的颜色。当光程差是光在真空中半波长的奇数倍时，相位差为(2n+1)π，相消干涉，光会被削弱或相互抵消而不可见，从而相应波长的颜色不显色。不同地方薄膜厚度不同，产生不同的光程差，从而使钛合金显示不同的颜色。在切削加工过程中，随着进给量的变化，产生的氧化膜厚度不同，具有不同的光程差，使得不同颜色的光波经过薄膜的上下表面发生干涉加强或削弱，从而显示不同的颜色。

图3的颜色从青绿色到深桔色，波长有逐渐变大的趋势，说明光程差逐渐增大，也就是氧化膜厚度有变大的趋势，而且随着进给量的增大，根据XRD实验结果，金红石型TiO2的含量增大，折射率也大，也增大了光程差，但也不是绝对的，在图3(b)中还夹杂一些紫色，这是由于氧化膜厚度不均匀造成的。由图3可见，随着进给量的增大，切削表面的波峰波谷差值较大，在较大波谷处氧化膜的厚度可能更低，导致光程差较小，生成光波更小的蓝色光。

3 结论

(1)钛合金氧化膜主要由锐钛矿型TiO2、金红石型TiO2、Ti、Al2O3构成。当进给量增加时，部分亚稳定态的锐钛矿型TiO2会转化成稳定态的金红石型TiO2，使得金红石型TiO2的含量增大。Ti的含量降低，氧化膜厚度增加。

(2)氧化膜表面呈现不同的颜色。大体上，随着进给量的增加，表面呈现颜色的光波对应的波长逐渐增大。