作為一種典型的輕質金屬，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域關鍵零部件（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)動機關鍵零部件的制造中，已得到廣泛應用。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，導致出現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重要。

近年來，大量研究已證實，表面強化技術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在 TC4 鈦合金表面引入了殘余壓應力和晶粒細化的強化層，發(fā)現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 - 織構化復合處理，發(fā)現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、化學穩(wěn)定性好、摩擦系數低等優(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 顆粒增強的純鋁復合材料，發(fā)現復合材料的硬度相較于純鋁提升了 300%，摩擦系數降低了 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 越來越多地應用于生物醫(yī)療、導電材料，以及刀具制造業(yè)等方面，在航空航天材料強化領域仍處于起步階段。

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晶粒細化和彌散強化等效應，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 鈦合金基材的化學成分如表 1 所示。

表 1 TC11 鈦合金化學成分（質量分數）

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備中對樣品進行加工。設備的振動頻率為 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。同時設立 2 組不同的對照組：一組是未經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 為經過應變后的晶格間距與無應變晶格間距之間的差值；d 為無應變的原始晶格間距；ε 為微觀應變；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，冷風吹干；（2）使用光學顯微鏡進行拍攝，拍攝倍數為 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，試驗參數為摩擦往復頻率 2Hz、振幅 3mm、載荷 20N、時間 3600s。摩擦測試結束后，采用 SEM、EDS、WLI 對樣品的磨痕進行表征分析。

2、結果與討論

2.1 組織和形貌分析

圖 4 為 3 種樣品的表征結果。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，導致其表面發(fā)生反復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，經過對樣品三維輪廓 X、Y 方向的反復對比，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、一致的粗糙度數值。其中，UT 樣品的表面粗糙度為 0.164μm。相比之下，經表面強化處理的 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 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，SMAT-1 樣品在任一深度的硬度均大于 SMAT-0 樣品的硬度。根據 Chen 和 Xie 等的研究可知，金屬強化層的特征表現在位錯密度增大、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系，因此可根據硬度分布來判斷樣品的強化效果。這些研究結果進一步說明，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，超聲波促使研磨球對樣品表面進行高能撞擊，產生劇烈的塑性變形，破壞了樣品內部的初始晶體取向，進而激活了粗晶粒內部的位錯滑移系。在晶界的阻礙作用下，位錯滑移系逐漸發(fā)生塞積、纏結和湮滅，形成新的晶界和亞晶界，進而在樣品表層產生晶粒細化。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。根據彌散強化機制可知，由于 Ti 一 N 化學鍵的高強度，位錯滑移只能通過 “旁路繞行” 的方式避開嵌入在樣品內部的 TiN 硬質顆粒，進而在 TiN 顆粒周邊形成高能應力場，引起位錯的釘扎、塞積和湮滅，最終在樣品表層再次產生晶粒細化，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（COF）與滑動時間的關系曲線。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緩慢上升的趨勢。SMAT-1 樣品的 COF 最小，經歷 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性能，并與未經強化的原始樣品（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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