作為一種典型的輕質(zhì)金屬，TC11 鈦合金憑借比強度高、抗腐蝕能力強及熱穩(wěn)定性好等特性，成為制造航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零部件（引擎壓氣機葉片、輪盤、鼓筒等）的首選材料，尤其是在航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件的制造中，已得到廣泛應(yīng)用。在飛機服役過程中，這些零部件不僅要承受巨大的交變應(yīng)力，還常常受到外界沙石顆粒的高速撞擊及沖擊載荷，極端工況的發(fā)生極易導(dǎo)致 TC11 鈦合金材料表面發(fā)生嚴重磨損，甚至引發(fā)航空壓氣機的故障失效，導(dǎo)致出現(xiàn)機毀人亡等重大安全事故。因此，提高 TC11 鈦合金材料的耐磨損性能對航空發(fā)動機的服役安全性能至關(guān)重要。

近年來，大量研究已證實，表面強化技術(shù)在提高鈦合金材料表面硬度和耐磨損性能方面具有顯著的效果。例如，Ganesh 等對 TC4 和 TC20 鈦合金進行了表面噴丸強化處理，發(fā)現(xiàn)二者的表面硬度分別提升了 113HV 和 58HV，且耐磨損性能均得到了顯著提高。Fan 等利用超聲滾壓強化技術(shù)在 TC4 鈦合金表面引入了殘余壓應(yīng)力和晶粒細化的強化層，發(fā)現(xiàn)其抗微動磨損性能相較于強化前提升了 520%。Ren 等在 TC4 鈦合金基體上制備了 NbMoTaWTi 高熵合金熔覆層，其硬度高達 600HV，相較于基體提高了 72%，磨損量降低了 121.9%。Wang 等利用納秒脈沖激光對 TC4 鈦合金進行了表面氮化 - 織構(gòu)化復(fù)合處理，發(fā)現(xiàn)該工藝可有效提高樣品抵抗磨粒磨損和黏著磨損的能力，相較于處理前，處理后樣品的磨損量降低了 99.3%。Li 等對 TC6 鈦合金表面進行了激光沖擊強化處理，結(jié)果表明，處理后樣品的磨痕深度相較于對照組顯著變淺。Zhang 等采用離子鍍技術(shù)在 TA2 純鈦上制備了硬度高達 1240HV 的 TiN 涂層，其耐磨損性能得到了顯著提升，盡管處理后樣品獲得了較為優(yōu)異的耐磨損性能，但是仍存在設(shè)備昂貴及制備的涂層易開裂等瓶頸難題。

氮化鈦（TiN）是一種性能優(yōu)異的金屬陶瓷材料，具有硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點。已有研究表明，在金屬材料中摻入 TiN 顆粒可顯著提高其耐磨損性能。例如，Ma 等采用超聲波空化工藝制備了 TiN 顆粒增強的純鋁復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的硬度相較于純鋁提升了 300%，摩擦系數(shù)降低了 30%。Shi 等采用等離子噴焊工藝在 TC4 鈦合金表面制備了 TiN 顆粒增強的強化層，結(jié)果表明，相較于強化前，強化后樣品的磨損量降低了 85.9%。然而，作為金屬陶瓷材料，目前 TiN 越來越多地應(yīng)用于生物醫(yī)療、導(dǎo)電材料，以及刀具制造業(yè)等方面，在航空航天材料強化領(lǐng)域仍處于起步階段。

有鑒于此，為了進一步提高 TC11 鈦合金材料在航空航天關(guān)鍵零部件中的耐磨損性能，本文采用表面機械研磨處理工藝（Surface mechanical attrition treatment, SMAT），在 TC11 鈦合金樣品表面實現(xiàn)晶粒細化和彌散強化等效應(yīng)，最終制備了 TiN 顆粒增強的強化層。對強化加工處理前后樣品的表面宏觀形貌和微觀組織特征進行分析，并通過往復(fù)式干摩擦試驗對樣品耐磨損性能進行評估，以期提高樣品在極端服役工況條件下的耐磨損性能。本文為改善 TC11 及其他鈦合金材料的耐磨損性能提供了一種新的解決方案，對提高航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件的安全服役性能具有重要意義。

1、試驗及方法

1.1 試驗材料和方法

在表面機械研磨處理前，采用電火花線切割設(shè)備將 TC11 鈦合金基材切割成 Φ30mm×3mm 的圓餅狀樣品，并采用水性砂紙（180~1500 粒度）對試樣表面進行打磨拋光處理，然后采用 95% 丙酮溶液清洗并作干燥處理。

選用氧化鋯（ZrO₂，粒徑 0.3mm）陶瓷球和 TiN 粉末（粒徑 5μm，純度 99.9%）作為表面機械研磨處理的研磨料。TC11 鈦合金基材的化學(xué)成分如表 1 所示。

表 1 TC11 鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）

Al	Mo	Zr	Si	Fe	H	C	Ti
6.5	3.2	1.5	0.3	0.25	0.1	0.12	余量

樣品的加工流程如圖 2 所示。

首先，利用行星球磨機將質(zhì)量比為 10:1 的 ZrO₂陶瓷球和 TiN 粉末進行 4h 的連續(xù)混合。在球磨過程中，由于靜電力和范德華力的作用，TiN 粉末顆粒會牢固地吸附在 ZrO₂陶瓷球的表面，形成 ZrO₂陶瓷球表面黏著一層 TiN 粉末的研磨球。隨后，取 5g 上述研磨球加入到超聲研磨設(shè)備中對樣品進行加工。設(shè)備的振動頻率為 20kHz，加工行程為 8mm，加工時間為 300s。加工后獲得的樣品記為 SMAT-1。同時設(shè)立 2 組不同的對照組：一組是未經(jīng)表面強化處理的原始樣品，記為 UT；另一組是不加 TiN 粉末，僅用 ZrO₂陶瓷球進行普通研磨處理的樣品，記為 SMAT-0。

1.2 表征與性能測試

采用配備能量色散光譜儀（EDS，Oxford X-Max50）的場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，Tescan Mira4）對處理前后樣品的表面宏觀形貌和化學(xué)元素分布進行表征；使用白光干涉輪廓儀（WLI，瑞霏光電 Micro1000）對樣品的表面輪廓和粗糙度進行分析。采用 X 射線衍射儀（XRD，Bruker D8A）在 10°~90° 范圍內(nèi)對樣品表面進行 Cu-Kα 射線輻射，并對物相進行分析，利用 Williamson-Hall 公式計算樣品表面的位錯密度，即：

式中，Δd 為經(jīng)過應(yīng)變后的晶格間距與無應(yīng)變晶格間距之間的差值；d 為無應(yīng)變的原始晶格間距；ε 為微觀應(yīng)變；βhkl 為衍射峰的半峰全寬值（FWHM）；λ 為衍射線波長；Dhkl 為平均晶粒尺寸；θ 為衍射半角；b 為伯格矢量；ρ 為位錯密度。

采用光學(xué)顯微鏡（OM，Mshot MJ42）分析樣品表面強化層的微觀組織，并測定晶粒尺寸，具體為：（1）對樣品截面件進行打磨、拋光，使用鈦合金腐蝕液進行晶粒度腐蝕，再用 99% 酒精對樣品進行超聲波清洗，冷風(fēng)吹干；（2）使用光學(xué)顯微鏡進行拍攝，拍攝倍數(shù)為 500 倍，拍攝區(qū)域尺寸為 200μm×150μm（長 × 寬）；（3）使用 Image Pro Plus 圖像分析軟件進行晶粒尺寸的統(tǒng)計。

采用 HV-1000 顯微硬度計（常州三豐）對樣品沿截面方向的硬度分布進行測定。采用 CFT-I 往復(fù)式摩擦磨損機（蘭州中科凱華）對樣品的耐磨損性能進行測試，選用直徑為 7.98mm 的 GCr15 鋼球為對磨件，試驗參數(shù)為摩擦往復(fù)頻率 2Hz、振幅 3mm、載荷 20N、時間 3600s。摩擦測試結(jié)束后，采用 SEM、EDS、WLI 對樣品的磨痕進行表征分析。

2、結(jié)果與討論

2.1 組織和形貌分析

圖 4 為 3 種樣品的表征結(jié)果。其中，圖 4（a）~（c）分別為 UT、SMAT-0 和 SMAT-1 樣品的表面宏觀形貌和輪廓。可以看出，UT 樣品的表面存在大量打磨拋光處理殘留的劃痕；SMAT-0 樣品呈現(xiàn)高低起伏的丘陵形貌，表面隨機分布少許微尺度凹坑缺陷，這種形貌是由于 ZrO₂陶瓷球不斷撞擊樣品，導(dǎo)致其表面發(fā)生反復(fù)塑性變形并逐步演變形成的。

相比之下，雖然 SMAT-1 樣品的表面仍存在一些凹坑，但損傷程度相較于 SMAT-0 樣品顯著降低。圖 4（d）~（f）為 SMAT-1 樣品的表面微觀形貌和 EDS 元素分布圖，在其表面可觀察到大量細小顆粒和高亮的 Ti、N 元素，說明在研磨球的撞擊和擠壓作用下，吸附在 ZrO₂陶瓷球表面的 TiN 粉末不斷被碾碎成更小的顆粒，并逐漸匯聚、嵌入、冷焊在凹坑缺陷的表面，最終形成了摻雜 TiN 顆粒的強化層。圖 5 為 UT、SMAT-0 和 SMAT-1 樣品的表面三維輪廓和粗糙度曲線，經(jīng)過對樣品三維輪廓 X、Y 方向的反復(fù)對比，確定采用 X 方向作為粗糙度測試方向，獲得了統(tǒng)一、穩(wěn)定、一致的粗糙度數(shù)值。其中，UT 樣品的表面粗糙度為 0.164μm。相比之下，經(jīng)表面強化處理的 SMAT-0 和 SMAT-1 樣品的表面粗糙度均顯著降低，SMAT-1 樣品的表面粗糙度（0.093μm）相較于 SMAT-0（0.121μm）降低了 23.14%，這可歸因于 TiN 細小顆粒有效填補了研磨球撞擊產(chǎn)生的凹坑缺陷，進而提高了樣品的表面平整度，降低了表面粗糙度。

2.2 物相分析

圖 7（a）~（c）為 UT、SMAT-0 和 SMAT-1 樣品的 XRD 圖譜和半峰全寬圖。從 SMAT-1 樣品的測量結(jié)果中可觀察到 TiN 在（111）（200）（220）（311）及（222）處的強烈衍射峰，進一步證實加工后的樣品表面含有摻雜 TiN 顆粒的強化層。雖然 3 種樣品的表面均檢測到 α 相，但經(jīng)過強化處理后的 SMAT-0 和 SMAT-1 樣品的衍射峰發(fā)生了顯著的變寬和偏移現(xiàn)象。相較于 UT 樣品，SMAT-0 樣品在（100）（002）及（101）處的半峰全寬值分別增大了 45.8%、13.5% 和 28.7%，SMAT-1 樣品則分別增大了 63.7%、20.9% 和 42.6%。3 種樣品的表面位錯密度結(jié)果如圖 7（d）所示，UT 和 SMAT-0 樣品的表面位錯密度分別為 2.12×10⁻⁵/nm² 和 3.86×10⁻⁵/nm²，而 SMAT-1 樣品的表面位錯密度則達到 4.99×10⁻⁵/nm²，相較于 UT 和 SMAT-0 分別提高了 135% 和 29%。根據(jù) Bragg 定律，摻入 TiN 顆粒有助于強化層表面位錯密度的提升，這也是強化處理后樣品衍射峰變寬和偏移的主要原因。

2.3 顯微硬度分析

圖 8 為 UT、SMAT-0 和 SMAT-1 樣品沿深度方向的顯微硬度分布圖。UT 樣品的硬度分布相對均勻，平均硬度為 351.3HV。相比之下，SMAT-0 和 SMAT-1 樣品的硬度顯著提升，且二者的硬度沿深度方向均呈現(xiàn)先增大后降低，最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。SMAT-0 和 SMAT-1 樣品的最大硬度（100μm 深度處）分別為 377.8HV 和 384.6HV，相較于 UT 樣品（351.3HV）分別提高了 7.54% 和 9.48%。值得注意的是，在 0~500μm 的深度范圍內(nèi)，SMAT-1 樣品在任一深度的硬度均大于 SMAT-0 樣品的硬度。根據(jù) Chen 和 Xie 等的研究可知，金屬強化層的特征表現(xiàn)在位錯密度增大、晶粒細化及硬度提高等方面。此外，Hall-Petch 公式明確指出，位錯密度和晶粒細化程度與硬度成正比關(guān)系，因此可根據(jù)硬度分布來判斷樣品的強化效果。這些研究結(jié)果進一步說明，摻入 TiN 顆粒有助于提高樣品表面的強化效果。

2.4 TiN 顆粒強化層形成機理分析

由 XRD 測試結(jié)果可知，超聲研磨加工可以提高 SMAT-1 樣品的表面位錯密度。圖 9 為 SMAT-1 樣品強化層的形成機理。在強化加工的初始階段，超聲波促使研磨球?qū)�樣品表面進行高能撞擊，產(chǎn)生劇烈的塑性變形，破壞了樣品內(nèi)部的初始晶體取向，進而激活了粗晶粒內(nèi)部的位錯滑移系。在晶界的阻礙作用下，位錯滑移系逐漸發(fā)生塞積、纏結(jié)和湮滅，形成新的晶界和亞晶界，進而在樣品表層產(chǎn)生晶粒細化。在晶粒細化的作用下，樣品表層獲得了更加緊密的組織和更高的顯微硬度。隨著研磨球的進一步撞擊，TiN 顆粒在擠壓作用下逐漸嵌入樣品表面，并再次激活新的位錯滑移系。根據(jù)彌散強化機制可知，由于 Ti 一 N 化學(xué)鍵的高強度，位錯滑移只能通過 “旁路繞行” 的方式避開嵌入在樣品內(nèi)部的 TiN 硬質(zhì)顆粒，進而在 TiN 顆粒周邊形成高能應(yīng)力場，引起位錯的釘扎、塞積和湮滅，最終在樣品表層再次產(chǎn)生晶粒細化，使得樣品的組織緊密程度和顯微硬度再次得到提升。

2.5 耐磨損性能分析

圖 10 為 3 種樣品的摩擦系數(shù)（COF）與滑動時間的關(guān)系曲線。盡管 SMAT-0 相較于 UT 樣品具有更小的 COF，但二者的 COF 曲線波動較為激烈，且隨著滑動時間的增加均呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢。SMAT-1 樣品的 COF 最小，經(jīng)歷 600s 的磨合期后便迅速進入穩(wěn)定階段。

圖 11 為 3 種樣品的磨痕寬度、形貌及 EDS 元素分布圖。UT 樣品的磨痕寬度為 1161μm（圖 11（a）），在磨痕表面觀察到較深的犁溝及大量磨屑（圖 11（d）），從 EDS 圖中還觀察到大量 Ti、O 元素的集中區(qū)域（圖 11（g）），表明 UT 樣品的主要磨損機制為嚴重的磨粒磨損和氧化磨損。SMAT-0 樣品的磨痕寬度為 1109μm（圖 11（b）），在其磨痕表面觀察到較淺的犁溝、少量磨粒（圖 11（e））和含 Ti 元素的氧化物（圖 11（h）），表明 SMAT-0 樣品的磨損形式主要表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損和氧化磨損。相比之下，SMAT-1 樣品的磨痕寬度僅為 741μm（圖 11（c）），相較于 UT 和 SMAT-0 樣品分別降低了 36.18% 和 33.18%。值得注意的是，在 SMAT-1 樣品的磨痕中并未發(fā)現(xiàn)犁溝形貌，僅有少量磨屑和大塊黏著物（圖 11（f）），通過 EDS 檢測到磨屑和黏著物的主要成分是 Fe 和 O 元素（圖 11（i）），表明磨件上脫落的材料在 GCr15 鋼球的反復(fù)摩擦及溫升氧化的作用下附著在 SMAT-1 樣品的表面。SMAT-1 樣品的磨損機制以黏著磨損和氧化磨損為主。上述結(jié)果表明，相較于 UT 和 SMAT-0 樣品，SMAT-1 樣品具有更優(yōu)異的耐磨損性能。

3、結(jié)論

采用表面機械研磨處理制備了表面覆有 TiN 顆粒強化層的 TC11 鈦合金樣品（SMAT-1）研究了樣品的表面宏觀形貌、微觀組織特征和摩擦學(xué)性能，并與未經(jīng)強化的原始樣品（UT）及無強化層樣品（SMAT-0）進行了對比，得出以下結(jié)論。

（1）由于 TiN 顆粒具有填補表面凹坑缺陷的作用，SMAT-1 樣品的表面粗糙度顯著降低，僅為 0.093μm，相較于 UT（0.164μm）和 SMAT-0（0.121μm）樣品分別降低了 43.29% 和 23.14%。

（2）在晶粒細化和彌散強化的相互作用下，SMAT-1 樣品具有最高的表面硬度，達到 384.6HV，相較于 SMAT-0（377.8HV）和 UT（351.3HV）樣品分別提高了 1.8% 和 9.48%。

（3）SMAT-1 樣品的耐磨損性能顯著提升，其摩擦系數(shù)和磨痕寬度均最小，磨痕寬度（741μm）相較于 UT（1161μm）和 SMAT-0 樣品（1109μm）分別降低了 36.18% 和 33.18%。此外，SMAT-1 樣品的磨損機制主要為黏著磨損和氧化磨損，而 UT 和 SMAT-0 樣品則主要是發(fā)生了磨粒磨損和氧化磨損。

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