鋯合金摩擦磨損性能的研究進(jìn)展

鋯(Zr)及其合金具有比強(qiáng)度高、密度小、吸收熱中子面積小、熱膨脹系數(shù)小和耐腐蝕性能良好等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)和航海等特殊領(lǐng)域［1－2］。由于航空、航天等服役環(huán)境非常復(fù)雜，作為結(jié)構(gòu)件使用的鋯合金容易發(fā)生磨粒磨損，甚至嚴(yán)重塑性變形。為此，眾多研究者在如何提高鋯合金的耐磨性能以滿足結(jié)構(gòu)件長期服役要求方面開展了大量的研究，并取得了諸多卓有成效的結(jié)果。本文簡要概述了鋯合金耐磨性能的研究進(jìn)展，對鋯合金的摩擦磨損機(jī)制、影響因素和摩擦磨損性能的優(yōu)化方法進(jìn)行闡述和總結(jié)，為鋯合金耐磨性能的研究提供基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

1、鋯合金的摩擦磨損機(jī)制及其影響因素

磨損是金屬或合金的主要失效形式，通常將磨損機(jī)制劃分為磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損等。一般而言，表面硬度可體現(xiàn)耐磨粒磨損性能的強(qiáng)弱，當(dāng)摩擦副表面壓力較大時(shí)易發(fā)生黏著磨損，而長期處于載荷循環(huán)或腐蝕介質(zhì)等環(huán)境下可產(chǎn)生疲勞磨損或腐蝕磨損。鋯合金的摩擦磨損機(jī)制主要分為:粘著磨損、磨粒磨損、分層磨損和疲勞磨損［3－5］。在摩擦運(yùn)動(dòng)過程中，由于鋯合金的高塑性在相互的摩擦力作用下發(fā)生輕微的粘著磨損和磨粒磨損;隨著載荷的增加，合金會由粘著磨損和磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱幽p;由于表面斷裂、大量的摩擦熱的產(chǎn)生和尖銳的磨損碎片，合金由分層磨損發(fā)生脫層現(xiàn)象，即最后轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p。合金的工作環(huán)境和條件不同，其產(chǎn)生的磨損機(jī)制也不同，一般情況下，合金在長時(shí)間服役過程中會伴隨著多種磨損形式的發(fā)生［6－7］。

載荷、速度和溫度等因素均會影響鋯合金的摩擦磨損行為。H.Zhong等［8］研究發(fā)現(xiàn)，在0.39～1.17m/s的滑動(dòng)速度轉(zhuǎn)變條件下，ZrTiAlV合金的摩擦系數(shù)會先增加后減小;而隨著載荷的增加，其摩擦系數(shù)會逐漸降低，磨損機(jī)制由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱幽p和嚴(yán)重塑性變形。H.Zhong等［9］研究了溫度對鋯合金的摩擦磨損性能的影響，研究結(jié)果表明，鋯合金的磨損率會隨環(huán)境溫度的升高而增加，主要磨損機(jī)制由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p;還發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高環(huán)境溫度，會使合金表面形成摩擦氧化層，從而對合金起到保護(hù)作用。K.Miyoshi［10］研究表明，當(dāng)兩個(gè)光滑、原子級潔凈的固體表面在一定載荷作用下相互接觸時(shí)，兩個(gè)表面的原子會在某個(gè)點(diǎn)相互接觸，產(chǎn)生原子間作用力并在這些接觸點(diǎn)造成粘著作用。在真空環(huán)境下，原子級潔凈的表面相互接觸時(shí)會產(chǎn)生非常強(qiáng)的粘著力，導(dǎo)致摩擦力和摩擦系數(shù)急劇上升。

王文強(qiáng)［11］研究了ZrTiAlV合金經(jīng)過時(shí)效處理后對摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)ZrTiAlV合金在真空條件下的磨損量遠(yuǎn)低于室溫大氣下的磨損量，在室溫大氣下的磨損機(jī)制均為磨粒磨損，而在真空下的磨損機(jī)制為粘著磨損。

2、鋯合金摩擦磨損性能的優(yōu)化方法

2.1表面處理

近年來，激光熔覆、高溫氧化以及噴丸等表面處理工藝常用于提高金屬材料的表面性能。研究結(jié)果表明，通過激光表面處理的Zr-4合金可在表面形成板條狀淬火馬氏體組織，進(jìn)而提高了合金表面硬度和耐磨性［12］。X.Y.Ai等［13］開發(fā)了一種雙層輝光等離子體冶金無氫滲氮方法，可在ZrTiAlV合金表面形成一層由TiN相、Ti2N相和ZrN相組成的均勻致密的滲氮層，其厚度約為580μm，從而使合金表面硬度和耐磨性得到了大幅度提高。曾奇鋒等［14］利用噴丸和微弧氧化對Zr-Sn-Nb合金管材進(jìn)行表面改性，結(jié)果表明，經(jīng)噴丸處理后的合金表面會形成一層均勻的強(qiáng)化層，而經(jīng)過微弧氧化處理后合金表面可生成一層厚度約為3.4μm的致密陶瓷型ZrO膜，使得Zr-Sn-Nb合金的表面硬度分別提高了15%和60%，磨損體積分別降低了6%和65%。W.F.Cui等［15］對ZrTi合金在空氣中進(jìn)行500℃×2h的熱氧化處理后，發(fā)現(xiàn)熱氧化的ZrTi合金比未熱氧化的樣品更具抗磨性，摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了30%和90%。

2.2合金化

合金化是材料提升耐磨性的方式之一，鋯合金中常加入Al、Fe、Ti、Mo、V、Nb等固溶元素或B、C、O等微合金元素來提高基體的耐摩擦磨損性能。例如，V.Bhardwaj等［16］通過電弧熔煉技術(shù)制備了一系列加入不同Al含量的AlxZrTiNbHf合金(摩爾比x=0，0.25，0.50，0.75，1)，發(fā)現(xiàn)添加Al元素會使合金產(chǎn)生氧化物碎屑的積累以及形成高硬度摩擦層，減少了表面之間的磨損。Al含量(摩爾比)由0增加到1時(shí)，合金的摩擦系數(shù)由0.61降低至0.58，平均磨損體積損失由0.065mm3降低至0.044mm3，合金的耐磨性有所提高，其磨損機(jī)制是氧化磨損，如圖1所示。Q.Zhou等［17］通過在Zr-Cu-Ni-Al合金中添加Fe元素，形成分離氧化層誘導(dǎo)相進(jìn)而提高耐磨性，添加Fe元素的鋯合金由于其均勻變形和耐損傷而獲得高耐磨性。此外，未添加Fe的鋯合金表面形成微量的摩擦氧化物顆粒;而添加5ω%Fe的磨損表面有大量的摩擦氧化物斑塊，其磨損機(jī)制由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p，可以形成具有減磨能力的連續(xù)化學(xué)摩擦層。摩擦氧化層在相分離的BMG中出現(xiàn)并發(fā)揮作用，導(dǎo)致COF降低和良好的磨損性能。

S.Tkachenko等［18］通過添加Si元素在鋯合金表面獲得過渡層，得到了摩擦系數(shù)較小且摩擦性能穩(wěn)定的含硅鋯合金。其中，Ti-6Si-5Zr合金具有最低的磨損、最穩(wěn)定的摩擦以及最低的摩擦系數(shù)(約為0.1)，其磨損率是商用Ti-6Al-4V合金的1/2～1/7，磨損表面的SEM分析表明，其磨損機(jī)制以磨料磨損為主，該合金中的硅化物顆粒有助于提高耐磨性，這是由轉(zhuǎn)移過程造成的，轉(zhuǎn)移過程將最初光滑的球轉(zhuǎn)變?yōu)榇植诘哪チ媳砻妗?/p>

2.3熱處理

與其他工藝相比，熱處理一般不改變材料形狀和整體化學(xué)成分，而是通過改變內(nèi)部顯微組織或表面化學(xué)成分，以賦予材料更優(yōu)的使用性能。鋯合金通過熱處理工藝可實(shí)現(xiàn)具有不同晶格類型的α相、β相比例以及晶粒尺寸的有效調(diào)控，進(jìn)而改善鋯合金的耐摩擦磨損性能。劉冉等［19］研究了固溶+時(shí)效態(tài)的鋯合金，發(fā)現(xiàn)時(shí)效強(qiáng)化相的析出可促使基體耐磨性能得到提高。S.X.Liang等［20］采用退火熱處理工藝對ZrTiAlV合金的性能進(jìn)行優(yōu)化，研究了不同退火工藝下Ti-20Zr-6.5Al-4V(TZ20)合金的摩擦系數(shù)、重量損失、比磨損率和磨損機(jī)理，發(fā)現(xiàn)退火后合金具有良好的大氣耐磨性。胡東東［21］的研究結(jié)果表明，具有β單相組織的800℃正火態(tài)和900℃淬火態(tài)47Zr45Ti5Al3V合金具有較優(yōu)異的耐磨性能，磨損機(jī)制主要以磨粒磨損和粘著磨損為主，如圖2所示。

這是由于單相組織塑性好，且單相組織不利于疲勞磨損過程中的裂紋形核，有效緩解了合金的剝層磨損，使得合金的耐磨性得到明顯提高。梁松等［22］研究了熱處理對57Zr-5Nb-15.4Cu-12.6Ni-10Al(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg=673K，晶化溫度Tx=733K)塊體非晶合金硬度及摩擦磨損性能影響，發(fā)現(xiàn)鋯合金的耐磨性能優(yōu)于部分晶化與完全晶化的合金，且當(dāng)退火溫度低于并接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，其耐磨性能最好。

3、總結(jié)與展望

本文簡要介紹了摩擦試驗(yàn)的滑動(dòng)速度、載荷及溫度對鋯合金摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高環(huán)境溫度可對鋯合金起到保護(hù)作用;概括了表面處理、合金化以及熱處理等在改善鋯合金耐磨性能的研究成果。目前，就如何提高鋯合金的耐磨性已經(jīng)取得許多研究成果，但研究工作還不夠深入，對其摩擦磨損行為和失效機(jī)理還不甚清楚，亟待進(jìn)一步研究;而且對抗耐磨性鋯合金的制備工藝和增強(qiáng)鋯合金耐磨性的機(jī)理還滯留在理論基礎(chǔ)研究，并未投入到實(shí)際應(yīng)用中。還需進(jìn)一步深入研究鋯合金的摩擦磨損特性，總結(jié)鋯合金磨損和失效的規(guī)律，以充實(shí)和豐富鋯合金耐磨性的基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用。

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