0 前言

钛合金由于其具有密度低、比强度高等特点，广泛用于制作航空发动机压气机和风扇的叶片^[1]。微动磨损是指两固体接触面上因出现周期性小振幅振动造成损伤的一种特有的磨损方式^[2-3]，主要分为切向微动、径向微动、扭动微动以及转动微动四种^[4-5]，其中，切向微动最为常见^[6]。航空发动机高速运转时，在叶片根部的榫槽连接处，以及相邻叶片的减振凸肩搭接处，切向微动磨损不可避免。在交变的位移以及应力的作用下，构件的表面极易萌生早期的裂纹，而产生的裂纹往往会降低整个部件的疲劳寿命^[7]。因此，研究钛合金间的微动磨损，具有重要的应用价值^[8-9]。

表面织构作为一种表面改性手段，起初被大量用于普通的滑动磨损工况中^[10-12]。在有润滑的情况下，表面织构的存在可以增加流体动压、储存润滑油，进而达到减摩的效果^[13-15]；在干摩擦的情况下，表面织构可以储存磨屑，进而减缓第三体磨粒磨损^[16-17]。因此，在材料的表面制备织构，通常可以起到耐磨减摩的作用^[12]。然而，对于不同类型的表面织构，其产生的作用也有所不同。对于点阵状的织构而言，每个孔洞都能储存一定的润滑油，而这些润滑油在摩擦的过程中不易溢出，因此，可以带来更好的润滑效果。但对于沟槽状的表面织构而言，润滑油容易流动，相比于无织构的样品，织构的存在并不能带来显著的益处^[14]。

微动磨损相比于普通的滑动磨损，其一大特点就是位移极小，导致产生的磨屑难以从接触面之间排出^[18]。而表面织构的存在能够有效地改变磨屑在接触面之间的分布状态。比如，点阵状的孔洞织构，能将磨屑的分布束缚成点阵状；沟槽状的织构，能使磨屑排列成平行的条状。磨屑分布状态的不同，对微动磨损的影响也有所不同^[19]。SUH等^[20]研究了网格状表面织构的几何参数对微动磨损行为的影响，结果表明，降低沟槽的纵横比以及增大沟槽的长度都能有效降低摩擦因数。SINGH等^[21]制备了三种不同密度的凸台状织构，发现随着凸台密度的增加，接触面积的减小，摩擦因数也随之降低。LU等^[22]在CuNiAl上铣出沟槽状的表面织构，然后在与织构平行和垂直的方向上进行扭动微动磨损试验，结果表明，织构方向与微动方向平行时的摩擦因数较低，但磨损量较高。WANG等^[23]在TC4钛合金上用激光制备出不同方向的沟槽状表面织构，随后进行了微动磨损试验。结果显示，垂直方向的表面织构和45°方向的表面织构的摩擦因数随运行周次的变化曲线相似；平行方向的表面织构和没有表面织构的样品的摩擦因数曲线相似。在之后的研究中^[23-24]，他们还发现，当微动磨损处于滑移区时，有垂直方向表面织构的系统形变量最大，有平行方向表面织构的系统形变量最小，然后没有织构的样品的系统形变量大于有45°织构样品的系统形变量。因此，可以尝试通过设计不同方向的表面织构，进而改变系统形变量的大小，进而在一定程度上控制微动磨损的运行区域，使之达到设计者们希望其处于的运行区域^[23]。

相比于其他形式的表面织构，沟槽状的表面织构存在织构方向的影响。另外，沟槽状表面织构可以大量储存磨屑，而在不同周次下，磨屑的形态、分布也不同，进而导致对微动磨损的影响也不同。因此，本文通过在TC4钛合金表面用激光加工制备沟槽状的表面织构，然后进行不同周次的微动磨损试验，研究沟槽状表面织构下TC4钛合金不同周次微动磨损行为以及磨损机理的影响。

1 试验准备

1.1 样品制备

此试验采用球-平面的接触形式，上下试样均使用TC4钛合金，其中球的直径为10mm，下试样的尺寸为20mm × 10mm × 6mm，试验所用TC4钛合金的化学组成以及硬度在中表1列出。

使用大族激光YLP-MP20型激光打标机（最大输出功率20W、光束质量≤1.5、脉冲宽度4～200ns、脉冲重复频率1.6～1 000kHz）进行表面织构的制备。选用的输出功率为10W（50%），激光在每一个点重复扫描20次，相邻激光束中心的间隔为120 μm。激光加工完成之后，使用2000号的砂纸对样品进行打磨，以便去除在激光加工过程中飞溅的熔滴。沟槽的宽度约为40 μm，深度在50～60 μm。

1.2 试验方法

样品准备就绪后，使用Rtec微动磨损试验机进行微动磨损试验。如图1所示，下试样被固定，上梁在两个高频电机的带动下左右往复运动，进而带动球试样。两个压电陶瓷传感器分别记录切向力和法向力，位移传感器记录位移。图2表示球运动的方向垂直和平行于织构方向的两种情况。

本试验设置的是不同循环周次的微动磨损试验，且不同周次的试验是单独的试验而非一次试验，微动磨损的试验参数设置如表2所示。

试验结束后，使用基恩士VHX-6000光学显微镜观察样品的表面形貌以及3维轮廓，使用INSPECT F50场发射扫描电镜对样品的微观结构进行观测，并用其自带的能谱进行元素分析。

2 结果

2.1 微动循环图

图3 记录了在不同周次下没有织构的样品、有垂直于微动方向的织构样品、有平行于微动方向的织构样品的微动循环图（摩擦力-位移曲线）。结果表明，在1 000和2 000周次下，有垂直于微动方向的织构样品的微动循环图与另外两个样品差别明显，在形状上表现为更“瘦长”。这意味着当运动方向垂直于表面织构时，两接触面间真正的滑移位移更短，并且在运动的两端，摩擦力更大。另外，无织构的样品和有平行于运动方向织构的样品的微动循环图几乎重合，这意味着平行状的表面织构并不能改变微动磨损过程中的摩擦力和位移的关系。

随着磨损的继续进行，往复运动达到1万周次之后，三个样品的微动循环图都几乎重合。其实，在微动磨损中，表面织构的一个重要作用就是，能有效改变磨屑的分布状态以及磨屑的产生和排出之间的关系。随着磨屑的堆积，接触区域下的织构坑被磨屑充满，改变了垂直织构样品上的接触状态，即磨屑逐渐开始将两接触面分隔开。因此，其微动循环图发生改变，接近于另外两个样品的微动循环图。

2.2 摩擦因数

图4a表示3个样品在100万周次内的摩擦因数曲线。结果表明，在经过试验刚开始几千周次之后，3个样品的摩擦因数曲线均表现出缓慢上升的现象。当往复运动达到30万周次左右时，摩擦因数则开始趋于稳定。有垂直织构样品的稳定摩擦因数最大，而无织构样品的稳定摩擦因数最小。

为了更清楚地对比3个样品在磨损前期的摩擦因数，将其前1万周次放大，绘成图4b。结果表明，在前5 000周次，有垂直织构样品的摩擦因数明显最大，其曲线具体表现为先急剧上升、再平稳下降；另外，有平行织构样品的摩擦因数稍大于无织构的样品，2者的曲线都较为稳定。这是因为，在磨损的前期，材料的黏着转移严重（图5），磨屑的存在会隔开两直接接触的钛合金面，进而能在一定程度上避免黏着磨损^[17]。因此，有表面织构的样品，由于磨屑易于被排到织构的沟槽中，所以摩擦因数比无织构的样品大。

然而，当表面织构垂直于运动方向时，磨屑极易随着球的运动被挤到织构坑里面（图6a），不能实现隔开接触面、降低黏着磨损的效果；当表面织构平行于运动方向时，在磨损的初期，磨屑不太容易被挤到织构坑里面（图6b），在接触面之间能够起到一定的降低黏着磨损的效果。

另外，从图4a中还能发现，三个样品在磨损达到稳定阶段之后，其摩擦因数都会出现突降的现象。其中，无织构的样品摩擦因数出现了3次突降，分别在17～21万周次、37～44万周次、61～68万周次。有垂直织构的样品和有平行织构的样品的摩擦因数均只出现了1次突降的现象，分别发生在39～43万周次（垂直织构）和51～56万周次（平行织构）。

2.3 磨损过程

通过观察经过不同周次微动磨损后的磨痕2维和3维形貌，并且结合摩擦因数，可将微动磨损的过程分成不同的阶段。

图7 和图8分别表示有平行方向织构的样品和无织构的样品在不同周次微动磨损后的磨痕二维和三维形貌。根据磨损区域的中部有无材料的黏着涂抹的现象，可以将整个磨损过程分为两个阶段，即黏着阶段和稳定阶段。在第一个阶段，黏着涂抹的材料会由于上试样的运动，顺着其方向发生材料的转移。而在织构的方向和微动方向平行的情况下（图7a），黏着涂抹的材料转移的方向，会沿着织构的方向。因此，这部分涂抹的材料无法覆盖织构坑，也就无法使各个发生黏着涂抹的区域跨过织构坑、连成一块。

图9 表示运动方向和织构方向垂直时，黏着阶段又可被细分为黏着区域分散的阶段和黏着区域成片的阶段。第一阶段，在5 000周次之前，磨痕中心存在材料的黏着涂抹的现象（图9a），对比摩擦因数的曲线（图4b），可以发现，这个阶段正好和垂直织构摩擦因数明显较高的阶段完全对应。第二阶段，随着磨损的继续进行，中部的黏着区域会由于材料顺着微动方向的流动，连成一块（图9b）。此时，磨损区域中部新产生的磨屑，由于没有织构坑的容纳，便会留在接触面之间，降低黏着磨损。因此，中部黏着的区域逐渐缩小（图9b），直至消失。第三阶段，磨屑的产生和排出达到了平衡，整个磨损区域越磨越大、越磨越深（图9c）。

另外，表面无织构的样品在磨损达到20万周次后，磨损区域的底部不是太平整，表现为“坑坑洼洼” 的形貌特点（图8b）。而对于有表面织构的2种样品，在进行了相同周次的微动磨损之后，磨损区域的底部并没有出现上述现象，而是整个区域较为均匀地磨损。这个现象表明，当有表面织构时，微动磨损进入稳定阶段后，其磨损过程要比无织构样品的磨损过程更加稳定。其实，从摩擦因数的曲线上（图4a）也能看出，有表面织构的两种样品的摩擦因数在稳定阶段仅有1次突降，而无织构样品的摩擦因数在稳定阶段则有3次突降，并且后2次突降持续的时间较长。

图10 为球与有垂直方向织构样品磨损后的形貌。由于与球对磨的下试样上存在条状的凹坑（表面织构），球上的磨痕也是很明显的一条一条的。可以发现，和下试样的磨损过程相同，球的磨损，也经历了3个阶段，即黏着涂抹阶段、黏着区域连成一片阶段、稳定磨损阶段。

3 讨论

磨损试验结束后，用导电胶从上球试样和下平面试样上粘取磨屑，确保磨屑的分布状态不发生改变，然后放入扫描电镜中观察。图11为当织构方向与微动方向垂直时，进行20万周次的微动磨损之后，从球和平面试样上收集的磨屑的扫描电镜照片。可以发现，无论是球试样上还是平面试样上的磨屑，都表现为A、B两种形态。其中，A形态的磨屑非常密实，作为紧实的磨屑层存在于磨损区域的中部； B形态的磨屑则是细小的颗粒，十分松散，分布在磨损区域的外部以及磨损区域内部的织构坑中。在图11b中部区域的放大照片（图11c）中还能发现， A形态的磨屑也不是一个整体，而是由被分成了很多小块。并且，中心区域（I区）的块状最大，越远离磨损区域中心的地方（I区——II区——III区 ——IV区），A形态磨屑的尺寸越小，最终转化成B形态颗粒状的磨屑。

从A、B磨屑能谱的结果上来看，A磨屑的氧含量为39.7%，B磨屑的氧含量为43.6%（表3），说明了磨屑从A形态到B形态的过程中，发生了进一步更充分的氧化。也就是说，A形态的磨屑经过进一步的破碎、研磨、氧化，逐步被排出到磨损区域之外，形成了颗粒状的B磨屑。

其实，当微动磨损处于稳定阶段之后，在磨损区域截面由下至上，会依次形成塑性变形层、摩擦改变的结构（ TTS, Tribologically transformed structure）层以及磨屑层（图12）^{[2, 25-26]}。而随着磨损的进行，塑性变形层以及TTS层逐渐向下发展， 磨屑层则会被逐渐破碎，被碾成细小的磨屑，从而随着上试样的往复运动，被排到磨损区域之外。上述的过程保证了层与层之间始终处于一个动态平衡的过程。

本试验中发现的摩擦因数突降的现象，可能是由于局部的磨屑层从TTS层上突然剥落、然后快速破碎造成的。磨屑层的突然剥落、快速破碎，会造成接触面之间细小磨屑颗粒的数量迅速增加。根据其他学者的研究^[1]，细小颗粒状磨屑能在接触面之间起到类似于滚珠轴承的效果，具有较好的减摩作用，而紧实的磨屑层则没有这个作用。因此，摩擦因数会出现突降。紧接着，随着磨损的进行，TTS层又转换成磨屑层，摩擦因数又上升，并且再次达到稳定。

当样品表面无织构时，磨损达到稳定阶段之后，磨损区域的底部极不平整，形成一块一块不连续的坑（图8b）。此时，一旦某个坑里面出现空隙，磨屑没能完全填充，随着上试样的高频往复运动，附近的某个小片磨屑层就极易从TTS层上脱落，进入到这个空隙中。而当样品表面存在织构时，根据从下试样上收集的磨屑的分布（图11b）可以看出，磨屑会非常密实地填入进织构坑中。也就是说，在有表面织构的情况下，和TTS层连接的磨屑层附近出现空隙的可能性较低，磨屑层局部脱落的概率也较低。因此，有织构的样品比无织构的样品摩擦因数突降的次数要少。

4 结论

利用激光制备沟槽状表面织构，通过进行不同周次的微动磨损试验，研究了表面织构下钛合金不同周次的微动磨损行为。主要结论如下：

（1）沟槽的方向对磨损初期的摩擦因数有较明显的影响。由于有垂直织构样品接触面之间的磨屑最少，材料的黏着现象最严重，其摩擦因数在前5 000周次明显更大。

（2）磨屑的演变影响微动磨损过程。根据磨屑在微动磨损不同阶段中发挥的作用，可以将整个磨损过程分为黏着阶段和稳定阶段。

（3）磨屑的演变是由大块的磨屑层到小块的磨屑，再到细小的颗粒磨屑，不断被碾碎、氧化的过程。

研究结果对认识微动磨损行为中不同周次下表面织构的作用及磨屑的演化具有一定理论意义。

参考文献