Ti17合金瞬态电能表面强化后的高温微动磨损性能.pdf

第6 0 卷第2 期 2008 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l 5 V d ．6 0 ．N o ．2 M a y2 008 T i l 7 合金瞬态电能表面强化后的高温微动磨损性能 张丽丽，乔生儒，李平，刘锋，王少鹏 西北工业大学超高温结构复合材料实验室，西安7 1 0 0 7 2 摘 要利用瞬态电能表面强化设备，分别采用硬质合金Y G 一8 和硅青铜作为电极，在T i l 7 合金表面形成瞬态电能表面强化 层。用S E M 和X R D 分析强化层的形貌和物相，用显微硬度计测量硬度沿深度的分布，并测试了1 9 0 ℃的微动磨损性能。结果表 明，两种电极形成的强化层组织明显地比基体组织细小，强化层的硬度比基体的硬度提高近1 倍，强化后T i l 7 合金的抗微动磨损 性能得到萌显提高。用硬质合金电极强化，强化层主要由A 1 3 T i ，M o C 和C o T i 组成。用硅青铜电极强化，强化层主要含有C u T i 和 C ，I k 。用硬质合金电极强化后1 9 0 ℃微动磨损3 0 r a i n 磨损体积为0 ．1 7 5 Ⅻ一，硅青铜强化后的仅为0 ．0 5 r a m 3 。而未强化试样1 0 r a i n 便达到0 ．3 6 m m 3 。强化后的表面磨痕不太明显，而未强化表面磨痕较深，并且有明显的犁沟。 关键词金属材料；T i l t 合金；表面强化；瞬态电能；高温微动磨损 中图分类号T G l 4 6 ．2 3 ；T G l 7 4 ．4 4 5文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 2 0 0 1 8 0 5 钛合金具有抗腐蚀能力强、强度高、密度低、中进金属工件表层，形成合金化的表面强化层，从而使 温性能稳定等优点，是高性能航空发动机风扇、压气工件的物理、化学和机械性能得到改善r 6 】。利用瞬 机轮盘、叶片等重要部件的主选材料【lJ 。近年来，态电能表面强化技术来提高钛合金的抗微动磨损性 钛在一般工业 航海、石油、化工、轻工、冶金等 和民能鲜见报道。以T i l 7 合金为研究对象，采用瞬态电 用领域 汽车、建筑、医学等 的应用也得到了很大的能表面强化技术进行表面改性处理，着重研究这种 发展[ 2 ] 。然而，钛合金的硬度低，耐磨性差，在对磨表面改性方法对T i l 7 合金微动磨损性能的影响，并 面上易产生粘接，对微动磨损敏感，严重影响了钛合分析强化层的物相、形貌和显微硬度。 耋璺筹巴羔譬曼氅董嘉未德景薹1 实验方法． 围1 3 - 4 J 。微动磨损是指两接触面上因出现周期性 ”一“⋯’ 小振幅振动造成损伤的一种特有的磨损方式，这种试验所用基材为T i l 7 合金，其8 转变温度为 周期性，的小振幅运动是由于环境振动或接触组元8 9 0 “ 1 2 ，密度4 ．6 5 9 ／c m 3 ，硬度3 3 0 H V ，成分见表1 。 之一受交变应力所引起的，微动磨损导致机件使用试件加工成夺2 4 m m 8 r a m 的圆盘。强化前试样经 寿命缩短，降低精度和可靠性，增加停机时间和维修6 0 0 号砂纸打磨，去除表面的氧化膜，并在丙酮中超 费用，某些情况下可能造成严重的后果L 5J 。为了改声波清洗1 0 m i n ，最后在烘箱中烘干。采用尺寸为 善钛合金的抗微动磨损性能，需要寻找一种经济有‘} 3 m m 4 0 r a m 的硬质合金Y G 一8 和硅青铜两种电 效的表面处理方法。 极，在自制的S Q 一2 型瞬态电能表面强化设备上，氩 瞬态电能表面强化是一种高能密度处理方法，气保护下对试样的圆盘表面进行强化，电参数为电 它通过火花的放电作用将作为电极的导电材料熔渗 容1 8 0 V F 、电压6 0 V 。 表1T i l 7 合金的化学成分 T a b l elC h e m i c a lc o m p o s i t i o no fT i l 7a l l o y 用P a n a l y t i c a lX ’P e r tX 射线衍射仪分析强化层 的物相。圆盘侧面经机械打磨及抛光后制成金相试 收稿日期2 0 0 6 一0 8 2 2 作者简介张丽丽 1 9 7 9 一 ，女，河南淮阳县人，硕士生，主要从事 材料表面改性等方面的研究。 样，用H F H N 0 3 H E O 为3 6 1 0 0 的腐蚀液腐蚀 后，在H I T A C H IS 一5 7 0 扫描电镜下观察强化层的显 微组织和形貌。采用H X ．1 0 0 0 型显微硬度计，测量 自强化层到基体的显微硬度分布，选用参数为载荷 l O O g ，加载时间1 5 s 。 万方数据 第2 期张丽丽等T i l 7 合金瞬态电能表面强化后的高温微动磨损性能1 9 微动磨损试验在S R V 摩擦磨损试验机上完成。 采用球盘磨损方式，配副为牵1 0 m m 的G C r l 5 钢球 H R C 6 2 6 3 作为上试样，下试样分别为经过瞬态 电能强化和未强化的T i l 7 合金圆盘。上下试样共同 组成摩擦副。试验时盘固定，钢球做往复运动，在 1 9 0 ℃、载荷2 0 N 、微动幅l m m 、频率1 5 H z 、大气环 境、干摩擦条件下进行试验，试验过程中自动记录摩 擦系数的变化。一般磨损试验通常采用精密电子分 析天平称出磨损失重，评价材料的抗磨损效果。对 于点接触式的微动磨损试验来说，由于磨损量太少， 很难准确称出磨损失重，因此所得结果误差较 大【7 】，采用微动磨损体积来表征微动磨损大小。磨 痕的横截面轮廓用2 2 0 6 型表面粗糙度仪测出，横截 面积同微动副的乘积即近似为微动磨损体积。两种 电极分别强化后的试样，加上未强化的试样共三种 工艺。每种工艺做三个平行试样，磨损体积分别取 平均值。微动磨损试验后用H I T A C H IS - 5 7 0 扫描 电镜观察试样磨损后磨痕的表面形貌。 2 试验结果及分析 2 ．1 强化层的物相组成 图l 是分别采用硬质合金和硅青铜作为电极， 利用自制的夹具，在氩气的保护下，在T i l 7 合金表 面形成的强化层的X 射线衍射图谱。 用硬质合金作为电极强化后，强化层主要由 ～3 T i ，M o C 和C o T i 组成，硅青铜作电极强化后，主 要含有C u T i 和C r T h 及残留的T i 和C u 元素。两 种强化层中都不存在氧化物和氮化物，说明氩气保 护可有效隔绝空气介质参与强化过程中的反应。从 两种电极分别瞬态电能强化后强化层的物相组成可 知，瞬态电能表面强化决不是简单的涂覆与堆积过 程，而是由电极材料和基体材料在放电瞬间高温高 压条件下重新合金化形成的合金强化层，结合强度 要高于其他的表面强化工艺I s ] 。 0 ’．一～- 二⋯⋯ 2 1 I3 04 05 I6 0 2 0 1 。 lC u T i 2 C r J i 3 T i 4 C u a 一硬质合金电极； b 一硅青铜电极 图1 两种不同的电极强化后的表面X 射线衍射图谱 F i g ．1X R Dp a t t e r n so fs t r e n g t h e n e dl a y e rb yt w od i f f e r e n te l e c t r o d e s 2 ．2 强化层横截面形貌观察与分析 强化层的组织明显比基体组织细小，特别是硅 青铜电极形成的强化层，见图2 。强化层在上面所 述的腐蚀液下很难被腐蚀，表现出良好的抗腐蚀性。 两种电极形成的强化层厚度都较薄，不到l O ／卫m ，且 不同程度的存在气孔和微裂纹，其中以硬质合金电 极强化后的气孔最多，见图2 a ，硅青铜电极形成 的较少，组织较均匀，但过渡层不太明显，见图2 b 。 2 ．3强化层显微硬度分布 8 一硬质合金电极； 6 一硅青铜电极 两种电极强化T i l 7 合金后，表层硬度提高，其 图2 两种不同的电极强化后的 中用硬质合金电极强化过的表面硬度为H V 6 5 0 左 强化层横截面S E M 照片 右，硅青铜强化后为H V 5 5 0 左右，比基体的硬度提n 昏z ≯M 一■叭m a 研仃e n 豇h e n e d 高近1 倍。这主要是因为在高温高压条件下重新合 金化时生成彳高矗度的合金强化层。随着与表面距 一o 々i i ● 一 一 一∞ 一，。●}．． X X X 黼 ㈣ ㈣ l H 鼍蓦』毯 “ 一．．_ 万方数据 2 0有色金属第6 0 卷 离的增加，显微硬度值平缓下降，在远远大于强化层 厚度的地方，硬度仍然大于稳定状态时基体的硬度， 说明其中存在一个过渡层，使强化层与基体有很好 的过渡结合。大多数增加硬度的表面处理能有效防 止微动过程中的粘着和磨粒磨损，因此表层硬度的 提高对改善微动磨损性能有好处。 2 ．4 微动磨损体积 图4 是未强化试样微动磨损1 0 m i n 后与两种电 极强化后的试样磨损3 0 m i n 后一个磨痕的截面轮 廓。轮廓的水平放大比为4 5 ，垂直放大比是1 0 0 。 未强化试样 a 微动磨损1 0 m i n 后磨痕较宽而且深。 由于表面强化试样磨损1 0 r a i n 后磨痕不明显，无法 用表面粗糙度仪测出磨痕的截面轮廓，因此延长磨 损时间至3 0 m i n 后再测，结果见图4 中 b 和 c 。 即使磨损时间延长至3 0 m i n 后其轮廓仍然较窄且 浅。与未强化试样相比轮廓不太规则，波动较大，这 可能是由于强化中的放电过程使表面粗糙度增加所 致。磨损体积结果如表2 所示。 三 皇 翅 罄 图3 强化层的显微硬度与深度之间的关系 F i g ．3 V a r i a t i o no fm i e r o - h a r d n e s sw i t hd e p t h o fs t r e n g t h e n e dl a y e r 表2 微动磨损体积计算结果 T a b l e2R e s u l t so ff r e t t i n gw e a rv o l u m e 从表2 可以看出未强化试样微动磨损1 0 m i n 便 达到0 ．3 6 m m 3 ，用硬质合金电极强化后的试样微动 磨损3 0 m i n ，微动磨损体积为0 ．1 7 5 m m 3 ，是未强化 试样微动磨损1 0 r a i n 的一半左右，硅青铜强化后的 试样为0 ．0 5 m m 3 ，仅为未强化试样微动磨损1 0 m i n 的1 ／7 ，显然，瞬态电能表面强化使T i l 7 合金的微 动磨损抗力有了很大的提高。 a 一未强化 1 0 r a i n ； b 一硬质台金电极 3 0 m i n ； c 一硅青铜电极 3 0 m i n 图4 一个磨痕的截面轮廓 F i g ．4 C r o s s s e c t i o no u t l i n eo fo n ew o T nm a r k 2 ．5 微动摩擦系数 在微动开始阶段，摩擦系数迅速增加，硬质合金 强化后的试样摩擦系数较大，达O ．5 左右，未强化试 样为0 ．4 左右，而硅青铜强化后的试样摩擦系数较 小，为0 ．3 左右，见图5 。这是由于硬质合金强化层 硬度较高，有大量的硬质粒子存在，而硅青铜强化层 有较好的润滑效果。磨损了一定时间后，硬质合金 强化后的摩擦系数开始缓慢的减小，小于未强化试 样；经过跑合阶段后，进入稳定磨损阶段，摩擦系数 略大于未强化试样。硅青铜强化后的摩擦系数经过 跑合阶段进入稳定磨损后，摩擦系数最大，为0 ．5 4 左右，可能是由于表面的硅青铜被部分磨去，自润滑 效果减弱之故。 瞬态电能表面强化后的摩擦系数增加，主要是 由于表面粗糙度略有增加。表面粗糙度对微动磨损 的影响是多方面的。在粗糙的表面上，磨损产生的 磨屑进入附近凹谷的机率增加，从而减少了磨屑对 表面的犁削作用，粗糙表面相对于光滑表面具有更 高的塑性值，表面微凸体通过塑性变形可以吸收更 多的切向位移，从而改变微动区域，从这一方面来说 是有利的9 1 。 通过比较摩擦系数和磨损体积可以发现，摩擦 系数大，未必耐磨性就差。因为影响材料抗微动磨 损能力的因素是多方面的，除了摩擦系数的影响因 素之外还有硬度的影响，关键是看哪种因素起主要 作用。对于同一涂层，如果在不同的外部条件下，具 有不同的摩擦系数，则摩擦系数低时有利。对于不 同涂层，由于其内在性能不同，即使在同一外部条件 下，也不宜根据摩擦系数的大小判断耐磨性的高低。 在实际工作条件下，摩擦系数高还有可能降低微动 振幅，从而减轻微动磨损。 万方数据 第2 期张丽丽等T i l 7 合金瞬态电能表面强化后的高温微动蘑损性能 2 1 过 怒 垛 涎 登 图5 摩擦系数与磨损时间的关系 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e c 、嗍w e R rt i m ea n df r i c t i o nc o e f f i d e m 2 ．6 磨痕的形貌观察 微动磨损后在扫描电镜下观察到的磨痕形貌如 图6 所示，其中图6 a 和图6 b 是用硬质合金和硅 青铜电极分别强化微动磨损3 0 m i n 后的磨痕中心部 位的表面形貌，图6 c 是未强化试样微动磨损 l O m i n 后的表面形貌。从图6 可以看出，磨损表面 呈现出由于微切削而形成的沿微动方向的划痕和犁 沟形貌，其中未强化试样的最为明显，并且有细小的 磨屑产生。 a 一硬质合金电极 3 0 m h ； b 一硅青铜电极 3 0 m i n ； c 一未强化 1 0 m i n 图6 磨痕中心部位的表面形貌 F i g ．6 S u r f a c em o r p h o l o g yo fc e n t e rw o r nm a r k s 3结论 用硬质合金电极强化T i l 7 合金，强化层主要由 A 1 3 T i ，M o C 和C o T i 组成，用硅青铜电极强化的强化 层主要含有C u T i 和C r T i 。及残留的T i 和C u 元素。 两种电极分别瞬态电能强化T i l 7 合金，强化层的组 织明显比基体组织细小，从组织判断强化层厚度不 参考文献 到1 0 弘m ，不同程度的存在气孔和微裂纹。强化层 硬度比基体的硬度提高近1 倍。在1 9 0 ℃的高温 下，用硬质合金电极强化后微动磨损3 0 m i n ，磨损体 积为未强化试样微动磨损1 0 m i n 的一半左右，而硅 青铜强化试样仅为未强化试样微动磨损l O m i n 的 1 ／7 。 【1 ] 刘道新，何家文．微动疲劳影响因素及钛合金微动疲劳行为[ J ] ．航空学报，2 0 0 1 ，2 2 5 4 5 4 4 5 7 ． [ 2 ] 何利舰，张小农．钛及钛合金的表面处理技术新进展[ J ] ．上海金属，2 0 0 5 ，2 7 3 3 9 4 2 ． [ 3 ] B i l lRC ．S e l e c t e df r e t t i n gw e a r - r e s i s t a n tc o a t i n g sf o rB T 9a U o y [ J ] ．W e a r ，1 9 8 5 ，1 0 6 2 2 8 3 3 0 1 ． [ 4 ] 张春辉，马红岩，王茂才．钛合金表面强化新进展[ J ] ．钛工业进展，2 0 0 3 ，2 0 4 5 4 9 5 2 ． [ 5 ] 李诗卓，董样林．材料的冲蚀磨损与微动磨损[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 4 2 5 1 ． [ 6 3W a n gR u i j u n ，Q i a nY i y u ，L i uJ u n ．I n t e r _ f a c eb e h a v i o rs t u d yo fW C 9 2 一C 0 8c o a t i n gp r o d u c e db ye l e c t r o s p a r kd e p o s i t i o n 。r J 。1 ． A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e ，2 0 0 5 ，2 4 0 1 4 2 4 7 ． [ 7 ] 卫中山，王珉，左敦稳，等．M o 离子注入提高T C 4 合金微动磨损抗力的研究[ J ] ．机械科学与技术，2 0 0 5 ，2 4 6 6 7 9 6 8 1 ． [ 8 ] 王振民，黄石生，温瑾林，等．待电火花表面强化技术发展概况J ] ．工具技术，2 0 0 0 ，3 4 5 3 5 ． [ 9 ] 徐进．固体润滑涂层抗微动磨损研究[ D ] ．成都西南交通大学，2 0 0 3 7 1 8 0 ． 下转第4 5 页，C o n t i n u e do nP ．4 5 万方数据 第2 期 马荣骏锂离子电池负极材料的研究及应用进展 4 5 P r o g r e s so fR e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no nN e g a t i v eE l e c t r o d eM a t e r i a lf o rL i t h i u mI o nB a t t e r y M AR o n g - j u n C h a n g s h aR e s e a r c hI n s l i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，H u n a n ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a A h s t r a e t T h el i t h i u mi o nb a t t e r yi sn o wt h em o s ti d e a la n do p t i m a lp o w e rr e s o u r c e 。i ti sv e r yi m p o r t a n tt of i n ds u i t a b l ee l e c t r o d em a t e r i a l s ．M u c hm o r eo ft h er e s e a r c h e sh a v eb e e ns p e n to nt h ep o s i t i v ee l e c t r o d em a t e r i a l st h a n t h a to fn e g a t i v ee l e c t r o d em a t e r i a l s ．A c t u a l l y ，b o t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v ee l e c t r o d em a t e r i a l sa r ee q u a l l yi m p o r t a n tt oL i t h i u mi o nb a t t e r y ．T h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hp r o g r e s so nt h en e g a t i v ee l e c t r o d em a t e r i a l sa r es u m m a r i z e da n dr e v i e w e di no r d e rf o rp r o v i d i n gt h er e f e r e n c e st or e l a t i v er e s e a r c h e r s ． K e y w o r d s e l e c t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g ；l i t h i u mi o nb a t t e r y ；r e v i e w ；p o s i t i v ee l e c t r o d em a t e r i a l 上接第2 l 页，C o n t i n u e df r o mP 。2 1 H i g h t e m p e r a t u r eF r e t t i n gW e a rP r o p e r t i e so fT i l 7A l l o y S u r f a c eS t r e n g t h e n e db yT r a n s i e n tE l e c t r i c - e n e r g y Z H A N GL i - l i ，Q I A 0S h e n g - r u ，L IP i n g ，L J UF e n g ，W A N GS h a o - 加, n g U l t r a h i g h ．t e m p e r a t u r eS t r u c t u r a lC o m p o s i t e sL a b o r a t o r yo f N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i 傀r s i t y ，X i “ a n7 1 0 0 7 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h es u r f a c eo ft h eT i l 7a l l o yi ss t r e n g t h e n e db yt r a n s i e n te l e c t r i c e n e r g ys u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u e w i t hh a r da l l o yY Q 8a n ds i l i c o nb r o n z ea se l e c t r o d e ．r e s p e c t i v e l y ．T h em o r p h o l o g ya n dp h a s ec o m p o s i t i o no f s t r e n g t h e n e dl a y e r sa r ea n a l y z e db yS E M a n dX R D ，t h em i c r o - h a r d n e s sa l o n gt h ed e p t hi sm e a s u r e d ，a n dt h e f r e t t i n gw e a rp r o p e r t yi se x a m i n e da t1 9 0 l l E ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r e so ft w ok i n ds t r e n g t h e n e d l a y e r sa r ef i n e rt h a nt h eb a s eo b v i o u s l y ，a n dt h es u r f a c em i c r o - h a r d n e s sa f t e rt r a n s i e n te l e c t r i c e n e r g yi si n c r e a s e d a b o u t1 0 0 ％。t h ea n t i f r e t t i n gw e a ra b i l i t yo fT i l 7a l l o ys t r e n g t h e n e db yt r a n s i e n te l e c t r i c e n e r g yi sc o n s i d e r a b l y i m p r o v e d ．T h el a y e rs t r e n g t h e n e db yh a r da l l o yi sm a i n l yc o m p o s e do fA 1 3 T i ，M o Ca n dC o T i ，a n dt h a tb ys i l i c o nb r o n z ei sC u T ia n dC r T i 4 ．T h ef r e t t i n gw e a rv o l u m eo ft h es a m p l e ss t r e n g t h e n e db yh a r da l l o yi s0 ．1 7 5 r a m 3 a f t e r3 0m i na t1 9 0 ℃，a n dt h a tb ys i l i c o nb r o n z ei so n l y0 ．0 5m m 3 ，h o w e v e r ，t h ef r e t t i n gw e a rv o l u m eo fs a m p l e su n s t r e n g t h e n e di s0 ．3 6m m 3w i t h i n1 0r a i n ．T h ew o r nm a r k si nt h es t r e n g t h e n e ds u r f a c ea r en o tv e r yo b v i O U S ，b u ti nt h eu n s t r e n g t h e n e ds u r f a c ea r er e l a t i v e l yd e e p ，a n da c c o m p a n i e dw i t he v i d e n tf u r r o w s ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；T i l 7a l l o y ；s u r f a c es t r e n g t h e n i n g ；t r a n s i e n te l e c t r i c - e n e r g y ；h i g h t e m p e r a t u r e f r e t t i n gw e a r 万方数据