鈦合金耐磨防護的研究進展

鈦合金耐磨防護的研究進展

1鈦合金表面技術(shù)的發(fā)展在鈦合金表面技術(shù)的發(fā)展過程中，我們經(jīng)歷了三個階段。其中之一是以水電和熱擴張為代表的傳統(tǒng)表面技術(shù)階段。其次，現(xiàn)代表面技術(shù)的階段是以離子、離子束和電子束應用為代表的。三是現(xiàn)代表面技術(shù)的綜合應用和膜層結(jié)構(gòu)的設計步驟。相應階段的主要表面處理方法、涂層種類及特性如表1所示。從表1可以看出:鈦合金表面技術(shù)幾乎是所有表面技術(shù)在鈦合金應用領域的延伸。這些表面處理方法都有其自身所固有的特點,應根據(jù)鈦合金的使用要求和條件來加以選擇。2處理問題的對策和手段2.1納米金屬基材料是鈦合金常見使用在表面粘著磨損通常發(fā)生在兩個承載的且相對滑移的表面上。兩滑移金屬表面之間發(fā)生的膠合()和冷焊(cold-welding)現(xiàn)象形成金屬碎屑,產(chǎn)生局部高溫,繼而使較軟的金屬嵌入較硬的金屬表面。粘著磨損的程度取決于摩擦副材料、金屬的反應活性和氧化行為、金屬的硬度、滑移的距離和速度以及加載量。作為反應活性金屬,鈦及其合金對膠合和冷焊亦即對粘著磨損具有高度的敏感性。同其他金屬一樣,潤滑劑通常也被用于減輕鈦合金的粘著磨損。試驗證明:當MoS2、石墨、PTFE等固體潤滑劑進入附著力強的多孔的氧化膜內(nèi)時可獲得良好的結(jié)果。例如酸性或堿性的陽極氧化膜、化學轉(zhuǎn)化膜、微弧陽極氧化膜與MoS2、石墨、PTFE等配合使用常用于鈦合金螺栓、螺帽等中低磨損條件的零部件的防護。但是,對于高承載的零部件,沿滑移接觸表面產(chǎn)生的高溫和壓力促進了上述薄潤滑層的分解。對于這種嚴重磨損條件的零部件的防護,通常在鈦合金表面涂覆很硬的或很軟的金屬膜層是一種更為適當?shù)姆椒?。這些涂層一方面降低了磨擦系數(shù),另一方面提供了一種穩(wěn)定的沒有反應活性的阻止直接接觸的膜層。表1所示的低壓離子工藝、熱化學工藝、電鍍與化學鍍工藝、熱噴涂和激光表面合金化是涂覆上述涂層的有效方法。在選擇合適的處理方法時應著重考慮以下因素:涂層厚度、處理后的表面硬度、對疲勞壽命的影響以及施加在鈦合金基體上的溫度,一般的說,當鈦合金基體的強度較高、基體和膜層特征相似、基體/膜層界面逐漸轉(zhuǎn)變時,硬耐磨膜層具有較高的工作壽命和粘接強度。大多數(shù)硬耐磨膜層的韌性不高,它們影響工件的疲勞壽命,這種缺陷可借助于處理前或處理后的噴丸處理來減輕或消除。2.2應力集中疲勞兩表面之間由于很小振幅(<150μm)、較高頻率(>10Hz)的相對振動而產(chǎn)生的磨損稱為微動磨損。微動磨損一般發(fā)生在緊配合的軸頸、氣輪機及壓氣機葉片配合處,受振動作用的螺栓、鉚釘?shù)嚷?lián)接件的接觸表面。微動磨損不僅改變零件形狀,惡化表面質(zhì)量,降低尺寸精度,使緊配合的零件產(chǎn)生松動,而且還會引起應力集中,形成微觀裂紋,導致零件疲勞斷裂。據(jù)報道,鈦合金由于微動疲勞作用使其疲勞壽命降低高達60%,使未潤滑的鈦合金對之間的摩擦系數(shù)由0.45增加到0.8左右。作為解決微動磨損的對策與手段,固體薄膜潤劑、硬化表面處理和軟金屬涂層可用于鈦合金微磨損的防護。利用酸性或堿性陽極化、化學轉(zhuǎn)化、弧陽極化生產(chǎn)的氧化膜配合MoS2、石墨、PTFE固體薄膜潤滑劑使用是解決鈦合金微動磨損較為效的方法。對于比較嚴重的微動磨損條件,諸如熱噴涂硬涂層和軟金屬、電鍍硬的或軟的金屬涂層甚至激光表面合金化之類的厚涂層,均可用于鈦合金的微動磨損防護。目前,高韌性的硬CrC和低磨磨擦的軟CuNiIn都已用于改善鈦合金的微動疲勞和微動磨損抗力。Y.Q.Fu和D.X.Liu利用離子束增強沉積(IBED)方法制備了CrC硬質(zhì)膜,并與IBED制備的軟膜CuNiIn進行了比較,結(jié)果表明,CrC顯示出最好的微動疲勞特性;而噴丸后涂覆的CrC膜則顯示出了最高的微動磨損抗力。2.3鈦合金涂層的制備和抗氧化性能傳統(tǒng)的鈦合金在空氣中長期使用的溫度大約為540～600°C,超過這一溫度就會造成過度的氧化以及氧向基體擴散而引起氧脆。因此,鈦合金的抗氧化防護涂層必須具備以下四個條件:(1)氧擴散系數(shù)低;(2)高穩(wěn)定性,基本上不與鈦反應;(3)不會迅速擴散進入基體;(4)在空氣中與基體金屬表面之間沒有任何諸如孔隙、裂紋之類的連續(xù)的通道。滿足以上條件的涂層大致有:溶膠-凝膠ZrO2/Y2O3涂層,離子鍍Pt或Pt/W涂層,離子鍍Al、NiAl、Cr或Cr2N涂層,濺射沉積的Ti-Al合金多層膜,熱噴涂的NiAl、Al青銅、NiCoCrAlY或TiCrAl合金涂層。由于TiAl金屬間化合物有望取代鎳基高溫合金作為發(fā)動機壓氣機葉片,目前針對鈦合金抗氧化涂層的研究日益活躍。C.Leyens等利用雙源磁控濺射方法制備了Ti-51Al-12Cr,發(fā)現(xiàn)該涂層同基體具有良好的化學和機械相容性,可以形成連續(xù)的Al2O3膜以防止氧化和氧脆,恒溫氧化試驗結(jié)果表明,該涂層的抗氧化能力在偏壓力為0時最高。Z.L.Tang研究了Al2O3、鋁化物、CoCrAlY、TiCrAl涂層沉積在TiAl金屬間化合物上的周期氧化性能,結(jié)果表明,Al2O3的改進有限;鋁化物和CoCrAlY有明顯改進,但兩種涂層與基體的相容性差,周期氧化后產(chǎn)生裂紋;在這些涂層中,TiCrAl涂層用于TiAl基的抗氧化防護是最為適當?shù)摹Ｖ档米⒁獾氖?離子注入Si、Nb、Ta、W對改善TiAl金屬間化合物在900°C的抗氧化性能是微不足道的。2.4鎳合金鍍層復合鍍層的制備工藝作為增強鈦合金與聚合物、金屬及陶瓷附著力的對策與手段,主要有以下三種方法:(1)用機械的或物理的方法粗化基體表面,以增加表面積或提高基體對涂層的錨固能力;(2)化學侵蝕表面以除去表面能低下的鈦氧化物薄膜,或者提高表面的微觀粗糙度;(3)在基體表面生成一比較厚的附著力良好而多孔的改性氧化膜,以改善聚合物與基體的錨固能力例如利用堿性氫氧化物螯合劑三羥基苯或甲基綦酚熱溶液處理鈦合金,可獲得與膠粘劑、涂料良好的附著力;為增強熱噴涂層與鈦合金的結(jié)合力,可以在噴砂后預涂一層薄的鎳合金涂層。在電鍍工藝中,鈦合金被稱為難鍍金屬,其中尤以化學鍍鎳、鍍硬鉻最為突出。為解決這些常見鍍種的附著力問題,以下方法被證明是行之有效的:(1)侵蝕液腐蝕→在含有氰化物、酒石酸鹽、檸檬酸鹽、醋酸鹽等絡合或螯合陰離子的水溶液中漂洗→熱處理;(2)陰極除油→在SnCl2溶液中活化→在銅的還原液中浸涂→電鍍銅→在氰化鍍銅溶液中閃鍍;(3)化學腐蝕→在氫氟酸、硫酸鋅、重鉻酸鈉溶液中浸鍍→漂洗→鍍鉻;(4)在氫氟酸/氟硼酸溶液中去氧化→轉(zhuǎn)移至氟硼酸溶液中防止重新氧化;(5)氫氟酸溶液濕噴砂→瓦特鎳閃鍍→閃鍍銅→鍍鉻。以上方法均可獲得附著力達50～120MPa的電鍍層。2.5co+cr2o3涂層M.Thoma比較了Ag、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Co+Cr2O3電鍍層與Ni/P化學鍍鎳層、TiN-PVD涂層、氮擴散涂層、陽極氧化+干膜潤滑劑的耐磨性能,結(jié)果表明,Ag(350°C)、Cd(100°C)鍍層可用于鈦合金在低溫下的耐磨防護(溫度太高可能產(chǎn)生固體脆性或應力腐蝕開裂);Co+Cr2O3涂層作為磨擦對時在300～700°C的磨損最小,陽極氧化+干膜潤滑劑直到400°C均能顯著減少往復運動的磨損量,可用于鈦合金在中溫下的耐磨防護。雖然TixAly