發(fā)布日期：2023-10-5 6:18:34
引言
表面改性是指對材料表面進(jìn)行物理、化學(xué)或結(jié)構(gòu)上的改變，以改善其性能、增加功能或適應(yīng)特定應(yīng)用需求的過程。表面改性通常通過一系列的處理方法和技術(shù)來實現(xiàn)，可以針對不同的材料和應(yīng)用目的進(jìn)行定制。
表面完整性是指材料表面在制造、加工或使用期間所具有的無瑕疵、無缺陷、平整光滑的狀態(tài)。鈦合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的抗腐蝕性而在航空航天、汽車和醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鈦合金疲勞性能是指鈦合金在受到交替或循環(huán)加載下所表現(xiàn)出的抗疲勞裂紋擴(kuò)展和壽命特性。疲勞是材料在受到交變應(yīng)力或荷載下，在循環(huán)加載下出現(xiàn)裂紋并逐漸擴(kuò)展的現(xiàn)象。因此，鈦合金的疲勞性能涉及其抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力以及耐久性。
通過表面改性和完整性的優(yōu)化，可以降低鈦合金在疲勞加載下發(fā)生裂紋、斷裂的風(fēng)險，延長其疲勞壽命；改善鈦合金的抗裂紋擴(kuò)展能力，抑制裂紋的形成和擴(kuò)展；提高鈦合金的摩擦和磨損性能，減少摩擦損失和表面磨損；增強(qiáng)鈦合金的抗腐蝕性能。
1 、表面改性的特征
表面改性通常是針對材料的表面層進(jìn)行操作，與全體材料的體積改性相比，表面改性更加局部化，只影響材料的表面層，保持了材料的基本特性，降低了成本。
表面改性涵蓋了多種不同的技術(shù)和方法，如涂層、化學(xué)處理、表面合金化、等離子體處理等。每種方法都有其特定的工藝，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇合適的改性方式。
表面改性可以根據(jù)特定應(yīng)用的要求進(jìn)行個性化定制，通過選擇適當(dāng)?shù)母男苑椒ê蛥?shù)，可以調(diào)整材料的表面硬度、摩擦性能、耐磨性、耐腐蝕性等特性，滿足不同工程和應(yīng)用領(lǐng)域的需求。通過適當(dāng)?shù)谋砻娓男�，可以顯著提升材料的綜合性能。
例如，添加耐腐蝕涂層可以提高材料的抗腐蝕性能；引入壓縮應(yīng)力或阻止裂紋擴(kuò)展的方法，可以增強(qiáng)材料的抗疲勞性能。由于表面與體積所處環(huán)境和條件的不同，材料的表面特性與體積特性可能存在差異。表面改性可以針對表面特有的問題進(jìn)行優(yōu)化，如提高耐磨性、減少摩擦損失等，通過最大化材料表面的影響，改善整體材料性能。
2、 表面完整性對鈦合金疲勞性能的影響
鈦合金表面的高平整度可以減少應(yīng)力集中，降低微動疲勞加載下的應(yīng)力濃集現(xiàn)象，從而延緩裂紋的起始和擴(kuò)展。平整的表面能夠提供均勻的載荷分布，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，有助于提高鈦合金的疲勞壽命。表面完整性（圖 1）對鈦合金疲勞性能的影響是多方面的，涉及表面平整度、表面缺陷、表面處理、表面潤滑等。通過優(yōu)化表面完整性，可以提高鈦合金的抗疲勞性能和疲勞壽命。
（1）機(jī)加工表面完整性對新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為的影響
機(jī)加工過程中，加工刀具與工件表面的相互作用會造成微觀凹凸和劃痕，導(dǎo)致表面粗糙度的增加。這些表面粗糙度會引起應(yīng)力集中，降低鈦合金的疲勞壽命。
由于切削力和變形引起的熱效應(yīng)，會導(dǎo)致鈦合金表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。這些殘余應(yīng)力可能成為裂紋起始點，并且在疲勞加載下會加速裂紋擴(kuò)展。鈦合金的表面可能發(fā)生相變、晶粒尺寸變化、顯微組織變化等。這些表面材質(zhì)改變會導(dǎo)致鈦合金的力學(xué)性能和疲勞行為發(fā)生變化。切削液、鐵粉等可能黏附在鈦合金表面，形成污染和缺陷，影響疲勞壽命[1]。
（2）噴丸強(qiáng)化與表面完整性對新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為影響
噴丸是一種常用的表面處理方法（圖 2），通過在鈦合金表面噴射高速流動的磨料顆粒，可以改變表面的形貌及物理性質(zhì)。噴丸強(qiáng)化可以消除表面缺陷和殘余應(yīng)力，提高鈦合金的疲勞壽命。噴丸會在表面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，增加鈦合金的抗裂紋擴(kuò)展能力，延緩裂紋的形成和擴(kuò)展。表面完整性是指鈦合金材料在機(jī)加工等過程中的無裂紋、無缺陷和無殘余應(yīng)力的狀態(tài)。良好的表面完整性可以減少應(yīng)力集中和裂紋的起始點，提高鈦合金的疲勞壽命。相反，表面缺陷、殘余應(yīng)力和粗糙度等不良表面完整性因素會降低鈦合金的疲勞性能。噴 丸強(qiáng)化可以通過調(diào)控噴丸參數(shù)，如噴丸材料、噴丸劑量、噴丸速度等，來控制噴丸后的殘余應(yīng)力分布。適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力分布可以提高鈦合金的抗疲勞性能。通常，產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的噴丸強(qiáng)化可以阻止裂紋的擴(kuò)展，降低疲勞壽命的衰減速率[2]。
（3）噴砂、噴丸與 HVOF 涂層復(fù)合處理對新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為的影響
噴砂、噴丸和 HVOF 涂層過程中，高速顆粒的沖擊作用能夠消除表面缺陷并形成壓縮應(yīng)力區(qū)域。這些壓縮應(yīng)力可以增加鈦合金材料的抗裂紋擴(kuò)展能力，延緩裂紋的形成和擴(kuò)展，提高疲勞壽命。噴砂、噴丸和 HVOF涂層會改善表面的質(zhì)量和粗糙度，減少表面缺陷和細(xì)微裂紋的存在，有助于降低應(yīng)力集中的程度，提高鈦合金的抗疲勞性能。HVOF 涂層通常具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和磨損抗性，能夠有效保護(hù)鈦合金表面不受外界環(huán)境的侵蝕。這些涂層的保護(hù)作用有助于延長鈦合金的使用壽命，在疲勞加載下也能起到一定的緩解應(yīng)力作 用。通過噴砂、噴丸和 HVOF 涂層的復(fù)合處理，可以在鈦合金表面形成具有厚度的保護(hù)層和良好的表面完整性。這種復(fù)合處理能夠綜合發(fā)揮多種增強(qiáng)疲勞性能的機(jī)制，包括增加表面的硬度、改善材料的耐久性、消除缺陷和改變殘余應(yīng)力分布等[3]。
（4）離子增強(qiáng)磁控濺射固體潤滑膜層及其完整性對鈦合金微動疲勞行為的影響
IBEMSLC 是一種通過離子增強(qiáng)磁控濺射技術(shù)制備的固體潤滑膜層，其具有優(yōu)異的潤滑性能和耐磨損性能。該膜層可以降低鈦合金表面的摩擦系數(shù)和接觸磨損，減少微動疲勞時的摩擦功耗和磨損損失。固體潤滑膜層的完整性對其潤滑性能和疲勞行為具有重要影響，完整的膜層可以提供有效的摩擦和磨損保護(hù)，減少表面缺陷和裂紋的形成。一旦膜層出現(xiàn)損傷或破裂，表面裸露的鈦合金將容易受到微動疲勞引起的微裂紋擴(kuò)展。
在制備固體潤滑膜層的過程中，離子增強(qiáng)磁控濺射技術(shù)可以產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力分布可以延緩微動疲勞中的裂紋擴(kuò)展，提高鈦合金的耐疲勞性能，而過高的殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致膜層脫落或裂紋的形成。針對鈦合金微動疲勞行為的評估，需要進(jìn)行相應(yīng)的試驗并對膜層進(jìn)行性能測試和表征。常見的試驗方法微動疲勞實驗和表面形貌觀察。通過分析產(chǎn)生的疲勞裂紋的發(fā)展和膜層的磨損情況，可以評估固體潤滑膜層及其完整性對鈦合金微動疲勞行為的影響[4]。
3、 降低表面改性與完整性對鈦合金疲勞性能影響的有效途徑
（1）降低機(jī)加工表面完整性對新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為影響的有效途徑
通過優(yōu)化切削速度、進(jìn)給速度和切削深度等參數(shù)、制定表面完整性評定方案（表 1），可以減少機(jī)加工過程中的熱影響和塑性變形，改善表面完整性，并減少表面缺陷的產(chǎn)生。采用表面精加工技術(shù)，如研磨、拋光和超精加工等，可以進(jìn)一步提高表面的光潔度和平整度，減少表面粗糙度和微觀缺陷，提高材料的疲勞強(qiáng)度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能。表面噴丸處理也是一種有效的改善表面完整性的方法。噴丸處理可以通過物理沖擊去除表面缺陷，并增加表面壓縮應(yīng)力，提高材料的抗疲勞性能。適當(dāng)?shù)谋砻婊瘜W(xué)處理可去除表面氧化物和其 他雜質(zhì)，提高表面純凈度，改善耐腐蝕性能，并間接提高疲勞性能[5]。
（2）降低噴丸強(qiáng)化與表面完整性對新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為影響的有效途徑
通過高速噴射顆粒對鈦合金表面進(jìn)行沖擊，可以去除表面缺陷并引入壓縮應(yīng)力。這種壓縮應(yīng)力可以有效抵抗疲勞裂紋的擴(kuò)展，并提高材料的抗疲勞性能。優(yōu)化噴丸參數(shù)是關(guān)鍵。選擇合適的噴丸粒徑、噴丸壓力和噴丸時間等參數(shù)，可以控制噴丸沖擊的效果。適當(dāng)?shù)臎_擊能夠去除表面裂紋和缺陷，而過度沖擊可能導(dǎo)致材料變形或表面粗糙度增加。在優(yōu)化噴丸參數(shù)時，需將控制過量沖擊和塑性變形的程度納入考慮。噴丸強(qiáng)化后的表面完整性也是關(guān)鍵因素。較低的表面粗糙度和精確的表面形貌有助于減少應(yīng)力集中和裂紋萌生的可能性。因此，在噴丸強(qiáng)化后需進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚鐠伖饣驒C(jī)械研磨，進(jìn)一步改善表面形貌和完整性[6]。
（3）降低噴砂、噴丸與 HVOF 涂層復(fù)合處理對新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為影響的有效途徑
噴砂和噴丸處理可以去除表面缺陷和氧化層，改善表面質(zhì)量，用于去除宏觀和微觀缺陷，而噴丸則能夠引入壓縮應(yīng)力和冷變形，增強(qiáng)材料的表面硬度和抗疲勞性能；HVOF 涂層技術(shù)可以在鈦合金表面形成高質(zhì)量的涂層，提供額外的保護(hù)和強(qiáng)化層。這些涂層通常具有較高的硬度、抗磨損性和良好的耐腐蝕性能，有效防止表面微裂紋的擴(kuò)展，提供更高的抗疲勞裂紋擴(kuò)展閾值；在涂層與基材界面上也會產(chǎn)生壓應(yīng)力，抑制裂紋的擴(kuò)展；噴砂、噴丸和 HVOF 涂層的復(fù)合處理可實現(xiàn)多重效益疊加，提供更好的基底表面狀態(tài)，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和附著力，增加基材的變形能力，在涂層和基材之間提供更好的緩沖效果，減少應(yīng)力集中[7]。
（4）降低離子增強(qiáng)磁控濺射固體潤滑膜層及其完整性對鈦合金微動疲勞行為影響的有效途徑
常見的固體潤滑膜層材料包括 MoS2、WS2 和Graphite 等，具有良好的潤滑性能和耐磨損性。通過調(diào)節(jié)離子增強(qiáng)磁控濺射工藝參數(shù)，如氣氛組成、工藝溫度和離子能量等，可以控制固體潤滑膜層的組成、致密性和結(jié)合強(qiáng)度。優(yōu)化工藝參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)膜層的高質(zhì)量沉積，并提高潤滑膜層與基材之間的附著力。表面預(yù)處理也是影響固體潤滑膜層完整性的重要因素，采用適當(dāng)?shù)谋砻鏈?zhǔn)備方法，如超聲波清洗和粗糙化處理，可以去除氧化層和污染物，提供更好的潤滑膜層附著表面。
保證潤滑膜層的完整性至關(guān)重要。密封潤滑膜層表面，如應(yīng)用潤滑油或進(jìn)行膜層封閉處理，可以減少凹槽和微缺陷的產(chǎn)生，提高表面平整度和表面質(zhì)量，改善潤滑效果并提高鈦合金的微動疲勞性能[8]。
4、 研究結(jié)果與結(jié)論
4.1 研究結(jié)果
通過實驗研究，我們獲得了不同表面改性和完整性處理對鈦合金疲勞性能的影響結(jié)果。離子增強(qiáng)磁控濺射固體潤滑膜層及其完整性處理，明顯提高了鈦合金的疲勞壽命，加工表面完整性對新型高強(qiáng)度鈦合金疲勞行為的影響呈明顯增加狀態(tài)。噴丸強(qiáng)化處理有效地提升了鈦合金的表面完整性，減少了裂紋的形成和擴(kuò)展，延長了疲勞壽命。而噴砂、噴丸與 HVOF 涂層復(fù)合處理對疲勞性能的改善效果相對較小，疲勞壽命僅略有提升[9]。
4.2 研究結(jié)論
通過對表面改性和完整性處理的影響分析，我們得出以下結(jié)論：離子增強(qiáng)磁控濺射固體潤滑膜層和機(jī)加工是有效的表面改性方法，能夠顯著提高鈦合金的疲勞壽命，適用于提高其疲勞性能。噴丸強(qiáng)化處理是一種可行的完整性改進(jìn)方法，有效地改善了鈦合金的表面完整性，降低了疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展，延長了疲勞壽命。然而，噴砂、噴丸與 HVOF 涂層復(fù)合處理雖然對疲勞性能有一定影響，但其改善效果相對有限。因此，在鈦合金的工程應(yīng)用中，我們應(yīng)根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)谋砻娓男院屯暾蕴幚矸椒�，�?yōu)化疲勞性能，提高 材料的可靠性和耐久性[10]。
5、 結(jié)束語
通過表面改性技術(shù)，可以增加鈦合金的表面硬度、耐磨性和抗腐蝕性，降低疲勞損傷的發(fā)生概率。優(yōu)化鈦合金的完整性，能夠減少內(nèi)部缺陷和殘余應(yīng)力，提升其疲勞性能。盡管目前已取得了一些重要的研究成果，但仍有更多的工作需要進(jìn)行，進(jìn)一步提高鈦合金的疲勞性能，滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧蠌?qiáng)度和可靠性的需求。
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作者簡介：宋新華（1980—）男，土家族，湖南省張家界人，研究生，張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院專業(yè)教師。
研究方向：研究方向改為機(jī)械工程，抗疲勞制造技術(shù)。
基金項目：湖南省教育廳科學(xué)研究項目“鈦合金抗疲勞制造技術(shù)表面完整性和疲勞性能研究”，項目編號：21C1545。