钛合金抗微动损伤方法
基于研究者对微动损伤的研究，改善钛合金的微动磨损情况可以采取以下 3 种措施: ① 合理搭配材料副; ② 优化结构设计; ③ 表面处理。其中， 表面处理无需改变材料成分和结构，成本低，效率高，抗微动损伤效果显著，因此，被广泛用来改善钛合金微动磨损性能。根据工艺特点，表面处理技术可以细分为表面涂覆技术、表面改性技术和复合表面处理技术。
2. 1 表面涂覆技术
表面涂覆技术是指在基体材料表面通过物理或化学方法涂覆一层与基体材料完全不同的膜层，以此提高材料的表面性能。传统表面涂覆工艺有气相沉积 ( 物理气相 沉积 ( PVD) 和化学气相沉积 ( CVD) ) 、热喷涂等，新型表面涂覆工艺有爆炸喷涂、等离子喷涂、非平衡磁控溅射等。
西北工业大学 Du 等采用非平衡磁控溅射法 在 TC4 钛合金基体上沉积了类金刚石膜( DLC 膜) 和类石墨碳薄膜( GLC 膜) ，通过研究得出钛合金表面 DLC 膜的抗微动磨损和微动疲劳性能优于 GLC 膜， 并认为膜层的结合强度和韧性是提高抗微动磨损和微动疲劳性能的关键。西南交通大学 Liu 等研究 了 Ti-Al-Zr 合金表面爆炸喷涂 WC-25Co 涂层的微动磨损行为。结果表明: 高温条件下 WC-25Co 涂层的摩擦系数在部分滑移状态下接近恒定，涂层的微动损伤非常轻微; 在滑移区，WC-25Co 涂层表现出良好的耐磨性，其磨损量随温度的升高而明显减小;WC-25Co 涂层在高温条件下可形成更致密、更厚的氧化碎屑层，显著改善合金的微动磨损性能; WC- 25Co 涂层的微动磨损机理主要为高温脱层磨损、磨粒磨损和氧化磨损。大连理工大学 Niu 等研究了 TC4 钛合金基体表面等离子喷涂 CuNiIn 涂层在平 面/平面接触条件下的微动磨损机理。实验结果表 明，CuNiIn 涂层具有良好的微动磨损性能，其微动磨损过程可以分为 3 个阶段: ① 初始阶段，涂层粗糙的表面因材料切割和转移逐渐被压平; ② 分层磨损阶段，涂层的片层结构和孔洞迅速开裂; ③ 稳定磨损阶段，此时伴随有第三体的润滑，局部有分层。此外，文中指出，CuNiIn 涂层的片层结构可以诱导裂纹沿层间偏转，阻碍裂纹扩展，并引导裂纹沿层间分叉，利于延长微动磨损寿命。Hager Jr 等在室温下进行微动磨损实 验，分析等离子喷涂 CuNiIn涂层在模拟涡轮发动机冷启动工况下的微动磨损机理，同时对等离子喷涂 Mo、Ni 等替代涂层进 行了评估。Mary 等研究了压力和温度对钛合金表面等离子喷涂 CuNiIn 涂层微动磨损性能的影响。实验结果表明，压力对 CuNiIn 涂层微动磨损性能有着显著影响，它可以改变界面结构，从而改变磨损动力学。并在对微动磨损后表面进行X 射线 能 ( EDS) 、X 射线衍射( XＲD) 、X 射线光电子能谱 ( XPS) 等分析的基础上，提出一种基于能量磨损的定量描述方法，以预测接触载荷参数对磨损动力学的影响。
2. 2 表面改性技术
表面改性技术是指在不改变原材料或制品性能的前提下，通过物理、化学的方法改变材料表面的化学成分和组织结构，以提高材料的表面性能。该技术包括喷丸强化、激光淬火、离子注入、化学热处理等方法。
大连理工大学 Yang 等结合有限元模拟和实验的方法研究了燕尾榫结构 TC4 钛合金试样的微动磨损机理。结果显示，经喷丸处理后，TC4 钛合金燕尾榫接头的微动磨损机制和裂纹萌生角度发生改变; 喷丸处理大大减少了裂纹的类型和数量，抑制初始裂纹的扩展，有效防止 TC4 钛合金燕尾榫接头试样裂纹的扩展。法国里昂中央理工学院 Fridrici 等也对经喷丸处理的 TC4 钛合金试样进行了微动磨损试验，结果显示喷丸处理对 TC4 钛合金微动载荷下的磨损行为几乎没有影响，但是在限制裂纹形核和扩展方面有着重要作用。Vadiraj 等对比研究了激光渗氮和等离子渗氮技术对医用钛合 金 Ti6Al7Nb 微动磨损性能的影响。实验结果显示，激 光渗氮改性层具有优异的抗微动磨损性能，等离子渗氮改性层薄而软，无法保护试样经受长时间的微动磨损。西南交通大学 Li 等研究了氮离子注入浓度对钛合金扭动微动磨损性能的影响。研究指出， 磨粒磨损是离子注入层最常见的磨损机制，钛合金的扭转微动损伤对于注入氮离子的剂量和角位移振幅十分敏感。
2. 3 复合表面处理技术
经过近些年的研究和实际应用，研究者发现， 单一的钛合金表面处理技术存在极大的局限性，并且随着科学技术的快速发展，对钛合金的性能也提出了更高的要求，因此第二代表面处理技术( 复合表面处理技术) 应运而生。该技术通过使用 2 种或 2 种以上表面处理工艺，达到进一步强化表面性能的目的，例如等离子喷涂与激光辐照复合、热喷涂与喷丸复合、化学热处理和电镀复合等。
为增强 DLC 膜与基体材料的结合力，南京航空航天大学邓凯对 TC11 钛合金基体表面先进行渗 N + 预处理，再沉积 Cr/CrN 过渡层，最后沉积 DLC 膜。随后在模拟海洋环境中，采用球/平面接触方式进行微动磨损实验，结果显示 DLC 多层膜抗微动磨损效果显著，可以抑制氧化磨损，减少磨粒磨损的发生，同时，磨屑中石墨形式的 C 可以降低表面摩擦系数。美国联合技术公司( UTC) Hager Jr 等指 出，涡轮发动机的叶片通常采用等离子喷涂 CuNiIn 涂层和固体润滑剂来缓解微动磨损，但是润滑层磨 损破裂后，等离子喷涂 CuNiIn 涂层会对未喷涂涂层 的钛合金表面造成严重损伤。相关复合涂层的研究表明，CrCN 和 Ni 复合涂层综合性能最佳，该复合涂层在经过 10 000 次循环后仍然完整无损。李瑞冬等在研究中也发现，单独的喷丸处理不能明显改善钛合金的抗微动磨损性能，但是有利于第三体磨损较快进入稳定磨损状态，而“干喷 + 涂层”的复合工艺能够减少磨损体积，从而较好地改善钛合金的 抗微动磨损性能。Fridrici 等研究发现，对 TC4 钛合金试样进行喷丸 + 等离子喷涂表面处理，能够改善其微动磨损性能; 试样表面的涂层改变了裂纹形核条件，减小了微动磨损中形成的裂纹长度。西北工业大学刘道新等研究了加弧辉光离子渗 NiCr 与喷丸强化复合处理技术对钛合金微动磨损性能的影响，研究结果表明: 利用加弧辉光离子渗镀技术可 以获得由 Ni3Ti 金属间化合物等组成的渗镀复合层， 从而提高钛合金的表面硬度和耐磨性; 相比单一涂层，复合涂层有着更好的表面性能。
