表面改性与完整性对钛合金疲劳行为的影响

钛合金是制造飞机起落架、襟翼滑轨和航空发动机压气机等关键零部件的重要材料，常规疲劳（PF）和微动疲劳（FF）是影响这类钛合金重要部件的主要隐患。为满足大型客机起落架和襟翼滑轨研发的需求，我国自主开发了TC18和TC21新型高强度钛合金，高强度钛合金的疲劳性能对表面完整性十分敏感，机械加工和表面处理会对其表面完整性和疲劳性能产生重要影响。钛合金属于难加工材料，为保证TC18和TC21钛合金零部件的疲劳抗力，研究机加工表面完整性对这类钛合金疲劳抗力的影响规律和机理十分必要。喷丸强化（SP）是提高钛合金疲劳抗力的重要手段；超音速火焰喷涂（HVOF）WC-Co涂层是改善钛合金起落架、襟翼滑轨耐磨性能的重要方法，但不利于疲劳性能。然而，有关SP、喷砂预处理与HVOF WC-Co涂层复合对高强度钛合金疲劳抗力影响规律的研究较少。为此本文以TC18与TC21钛合金为研究对象，研究机加工表面完整性对高强度钛合金疲劳行为的影响规律和机制；探讨SP及其完整性对高强度钛合金疲劳行为的影响规律与机理；对比研究喷砂、喷丸与HVOF WC-17Co涂层复合处理对新型高强度钛合金疲劳行为的影响规律及作用机制。此外，有关类金刚石膜（DLC）、类石墨膜（GLC）对钛合金FF抗力影响的异同性，以及TiN与Ag复合膜对钛合金FF行为影响规律与作用机制的研究尚未见报道，故本文选择常用的TC4钛合金为对象，研究上述膜层对钛合金FF行为的作用规律和机制，拟为改善钛合金抗FF性能寻求新途径。本文取得的主要结果如下： （1）研究发现车削加工走刀量是影响高强度钛合金表面完整性最显著的因素，粗车、精车及精车后抛光的高强度钛合金的疲劳抗力有显著差异，此归于机加工方式对高强度钛合金表面完整性的不同影响作用，机加工表面粗糙度和纹理特征的差异是影响高强度钛合金表面完整性和疲劳抗力的主导因素。同时发现“α+β相”网篮组织的TC21钛合金较“等轴α相+条状α相+β转变相”组织的TC18钛合金具有更高的缺口敏感性。喷丸强化能够有效抑制与疲劳载荷垂直取向的机加工沟槽造成的缺口效应，显著提高了高强度钛合金的疲劳抗力，此归于喷丸强化引入了分布较深的表面残余压应力场，并部分去除了有害的沟槽，有效延缓了疲劳裂纹的萌生和早期扩展。 （2）合理强度的喷丸处理能够显著提高TC21和TC18钛合金的疲劳抗力，主要原因归于SP处理引入的残余压应力使疲劳裂纹源移至钛合金次表层，喷丸造成的加工硬化和组织细化阻碍疲劳裂纹的萌生，喷丸残余压应力场阻止或延缓疲劳裂纹萌生与扩展。SP改善高强度钛合金抗疲劳性能的效果与SP强度的关系不是单调变化规律，原因归于SP对钛合金表面存在有利和不利双重影响因素，在合理的SP参数下有利因素起主导作用，钛合金可获得良好的表面完整性和高的疲劳抗力。然而，当SP强度过高时，表面粗糙度增大、表面脱层或开裂等不利因素起主导作用，降低了SP的强化效果，甚至造成有害影响。强度相近的TC21和TC18钛合金因表面缺口敏感性和SP形变行为不同，所需的最佳SP强度和强化效果也不同。因此对于强度相近但组织不同的材料不宜盲目规定统一的SP工艺。 （3）HVOF WC-17Co涂层处理使TC21钛合金疲劳抗力显著降低，此归于WC-17Co涂层韧性低、表面粗糙度大，以及表面有残余拉应力和孔洞缺陷存在。喷砂前处理后进行WC-17Co涂层处理使TC21钛合金基材疲劳抗力降低程度更大，原因主要是WC-17Co涂层固有疲劳抗力差，同时，HVOF过程的高温效应使喷砂引入的表面残余压应力严重松弛，进而使喷砂造成的表面缺口效应的不利影响突显。SP前处理后进行WC-17Co涂层处理使TC21钛合金疲劳抗力降低的程度明显比喷砂前处理试样低，原因归于SP引入的残余压应力层深和数值较大，HVOF过程中松弛程度不显著。 （4）对HVOF WC-17Co涂层进行抛光处理能使其抗疲劳性能得到改善，采取合理的喷丸参数对抛光处理的HVOF WC-17Co涂层进行SP后处理能够进一步改善其抗疲劳性能，其疲劳抗力明显高于TC21钛合金基材，此归于SP在WC-17Co涂层表面引入了合理分布的残余压应力，同时未明显增大表面粗糙度和造成表面损伤。然而，当SP强度过高时，SP造成WC-17Co涂层开裂和界面分离，同时使涂层表面引入的残余压应力松弛，不利于涂层的抗疲劳性能。 （5）非平衡磁控溅射离子镀DLC与GLC硬质润滑膜层均能有效改善TC4钛合金的抗微动磨损（FW）性能和抗FF性能，原因归于这两种膜层有良好的减摩性能。DLC膜层抗FF性能明显优于GLC膜层，此归于DLC膜层具有更高的膜基结合强度和良好的强韧综合性能。研究同时发现膜基结合强度和强韧综合性能对FF抗力的影响作用比摩擦因数的影响更大。 （6）在硬质TiN膜层中掺杂一定量的Ag元素（0.5%～20%Ag原子比）制备的TiN-Ag复合膜层由纳米晶的TiN相和Ag单质相组成，能够有效提高钛合金的抗FW和抗FF性能，抗FF性能优于TiN膜或Ag膜，原因归于复合膜层具有良好的强韧综合性能、减摩润滑性能和高的膜基结合强度。当复合膜层中Ag原子含量在2%5%时，抗FF性能最优，此归于该复合膜层具有最佳的表面完整性，有效抑制了FF裂纹的萌生和早期扩展。在软质Ag膜层中掺杂一定量的TiN相（60%～80%Ag原子比）制备的Ag-TiN复合膜层能够有效提高钛合金的抗FW和抗FF性能，抗FF性能同样优于TiN膜或Ag膜，原因归于该类复合膜层具有较好的强韧综合性能、减摩润滑性能和较高的膜基结合强度，同时这类膜层中有数值较大的残余压应力存在。然而，当Ag原子含量高于90%时，TiN相难以形成，复合膜层的强韧性能未能得到有效改善，抗FF性能不及TiN或Ag膜层。 （7）研究发现在膜层结合强度足够高和强韧综合性能足够优的前提下，硬质固体润滑膜层（GLC和TiN-Ag复合膜层）因拥有更高的承载能力和抗磨耐久性，故表现出比软质固体润滑膜层（Ag膜和Ag-TiN复合膜）更好的抗FF性能。钛合金抗FW和抗FF性能所需要的表面完整性较为一致，但抗FF性能对表面膜层的强韧综合性能的要求更高，影响离子增强沉积膜层抗FF性能的重要因素包括膜基结合强度、膜层强韧综合性能、膜层的减摩润滑性能，此外，残余压应力也有一定的影响作用，只有这些因素达到最佳匹配从而获得最好的表面完整性时，膜层才能达到显著提高钛合金抗FF性能的目的。