鈦合金因其密度低、強度高、耐腐蝕等方面的諸多優點，被廣泛應用于航空、航天等領域[1-2]。TC11鈦合金具有優異的熱強性能，可在高溫的環境中長期工作，主要用于制造航空發動機的壓氣機盤、葉片等[3]。鈦合金屬于航空難加工材料，其切削加工性能相對較差，目前加工刀具主要為高速鋼或硬質合金，在高速切削時磨損速度加快，限制切削效率的提升。為減少刀具磨損，提高其耐用度，就需從刀具-工件摩擦副的摩擦學特性入手，研究刀具磨損機理。

國內外很多學者圍繞刀具磨損機理開展了相關研究，劉鵬博士從摩擦學特性入手，研究了超硬刀具高速銑削鈦合金的磨損機理，結果表明硬質合金刀具主要表現為磨粒磨損、嚴重的粘結磨損和擴散磨損[4]。范依航等[5]研究了硬質合金刀具干切鈦合金Ti-6Al-4V時的磨損行，結果表明在切削過程中刀-屑接觸面伴隨著嚴重的黏結、擴散以及氧化現象，這種現象隨著速度增加而加速出現。韓變枝等[6]研究了涂層硬質合金刀具高效切削鈦合金刀具磨損情況，結果表明刀具磨損以后刀面磨損為主，磨損機理為粘結、擴散和氧化3種磨損形式并存。梁雄等[7]研究了高溫條件下鈦合金對硬質合金的摩擦學性能，結果表明兩者的摩擦系數波動劇烈，黏滑摩擦嚴重，隨著載荷、溫度與速度的增加黏滑現象愈加劇烈。

從檢索到的文獻來看，大多研究者從切削試驗入手，研究硬質合金或者涂層刀具切削鈦合金的磨損機理。陶瓷刀具以其耐磨性好、摩擦系數低、不易粘刀等優點，適合高速切削環境，在加工鈦合金等難加工材料方面有不錯的前景[8-10]。切削過程中，由于刀具與材料之間的擠壓、摩擦作用，產生大量的切削熱，熱量不能及時導出，在切削摩擦區域溫度急速上升，溫度上升造成刀具磨損的加快，導致切削表面質量無法控制。

本文針對陶瓷刀具切削鈦合金時刀具磨損問題，通過高溫摩擦試驗研究陶瓷材料和固溶時效后TC11鈦合金磨損行為，探究高溫下鈦合金磨損機理，為揭示陶瓷刀具切削鈦合金時磨損機理、控制工件加工表面質量提供理論依據。

1、試驗材料及方法

此次摩擦磨損試驗在HT-1000型球-盤式高溫摩擦磨損試驗機上進行，其工作載荷范圍為1.5～20N，主軸的轉速為0～2000r/min，溫控范圍為常溫～1000℃。TC11鈦合金加工成直徑為43mm、厚度為5mm的圓盤，其化學成份見表1。

熱處理方式為固溶時效處理，固溶溫度為960℃，保溫30min+水冷，時效溫度為530℃，保溫30min+空冷。顯微組織如圖1所示，經固溶時效處理后的TC11鈦合金，可以清楚地看到α相減少，β相增多，等軸狀的α顆粒均勻的分布在β基體上。熱處理后的表面硬度明顯增加，為53.5HRC；所用摩擦副為直徑為4mm的氮化硅陶瓷球。

試驗參數：溫度分別為100、200、300、400℃，載荷8N，轉速1000r/min，摩擦時間為15min。試驗前需將圓盤和球表面打磨干凈，去氧化皮，用酒精+超聲清洗，吹干。試驗溫度由試驗機自身溫控系統調節至試驗溫度；摩擦系數由計算機實時保存數；磨損量由精度為0.1mg電子天平測量圓盤的磨損失重得到；采用InspectF50型掃描電鏡（SEM）觀察磨損表面形貌，并采用EDS對成分進行分析。

2、試驗結果與分析

2.1溫度對摩擦系數的影響

圖2是100、200、300、400℃下摩擦系數隨時間變化曲線。由圖2（a）可看出，在開始的磨合階段，由于接觸表面不平整，磨損面實際接觸面積較小，處于磨合階段，所有試樣摩擦系數均有短暫上升趨勢，在100和300℃時2min后趨于平穩；在200℃時在2min后達到最大值，之后開始逐漸下降至平穩狀態，在400℃時在1min后達到最大值，之后開始逐漸下降。經過磨合階段后，隨著時間變化，在100和300℃時，摩擦系數在0.50～0.54之間波動，基本趨于穩定狀態；在200℃時，摩擦系數在0.48～0.55之間波動，波動范圍相對較大，但整體趨于穩定狀態；在400℃時摩擦系數由0.50逐漸下降，約在第8min時下降至0.35，在第10min后有所上升，上升至0.45，整個過程中，上下波動范圍較大，摩擦系數下降是因為表面形成一定的氧化層，波動較大是因為摩擦表面出現分層，并有邊緣剝落，導致波動較大。

由圖2（b）可看出，在整個穩態磨損階段，在100、200、300℃時摩擦系數平均值分別為0.50、0.52、0.53，變化不大，呈輕微上升趨勢；在400℃時摩擦系數平均值為0.41，較前3類明顯下降，下降幅度為20%。

2.2溫度對磨損量的影響

圖3是固溶時效處理TC11的磨損量與溫度的關系。從圖中可以看出，在200℃時，磨損量較100℃下降37.5%；在300℃時，磨損量較100℃增加120%；在400℃時，磨損量較300℃下降20%；在200℃時，磨損量最��；在300℃時磨損量最大，最大值是最小值的2倍。

2.3磨損形貌及機理分析

圖4是不同溫度下TC11磨損區域SEM圖。

圖4（a）為100℃時的磨損形貌，存在明顯犁溝和磨粒；圖4（b）為200℃時的磨損形貌，與圖4（a）相比，磨面相差不大，但出現少量黑色和白色物質；圖4（c）為300℃時的磨損形貌，摩擦表面出現大量黑色和白色物質，并伴隨有剝落層產生;圖4（d）為400℃時的磨損形貌，摩擦表面出現大片黑色物質和白色物質，白色物質被碾碎，剝落層逐漸剝落。由EDS分析，白色和黑色物質氧含量明顯升高，同時兩者增加時摩擦系數減小，推測為氧化物[11]。由此可見，隨著溫度的升高，摩擦表面黑色的氧化物和白色氧化膜逐漸增加，剝落層開始顯現并在邊緣處逐漸剝落。

對4種溫度下摩擦表面進一步分析，研究其表面主要成分情況，如圖5所示。由圖可知，磨損后的表面，除了本身成分外，還出現了大量的O元素，Si和N元素的含量較原成分也有較大的升高。O元素的增加說明有大量的氧化物生成，Si和N元素增加主要是從摩擦副氮化硅擴散過來的。O元素含量隨著溫度的升高不斷增加，100℃時，O元素含量為10.30%，200℃時的含量是100℃時的2倍多，300℃時的含量接近100℃時2倍，400℃時的含量是100℃時3.5倍，由于氧化層的存在，增加了表面的耐磨性，這也是400℃時摩擦系數低的原因之一。Si和N元素的含量隨著溫度的升高有降低趨勢，尤其是在400℃時，Si和N元素的含量僅為100℃時的3/5和1/20，說明隨著溫度的升高，摩擦副的擴散減緩，這主要是因為氧化物的形成降低了摩擦系數，抑制了Si和N元素的擴散。結合圖4磨損區域的SEM圖可以看出，在100℃和200℃時，主要以磨粒磨損為主，存在少量氧化磨損；300℃時，依然以磨粒磨損為主，伴有氧化磨損和少量黏著磨損；400℃時，由于氧化物大量生成，氧化區域擴大，所以主要以氧化磨損為主，伴有磨粒磨損和少量黏著磨損。

圖 5 不同溫度下 TC11 鈦合金磨面的 EDS 分析

Fig.5 EDS analysis of TC11 titanium alloy grinding surface at different temperatures

3、結論

（1）在100、200、300℃時，固溶時效后的鈦合金TC11的摩擦系數約在0.50，隨時間變化波動相對較小，摩擦系數相對穩定；400℃時，摩擦系數降低至0.40，隨著時間變化波動較大，摩擦系數不穩定。

（2）溫度對固溶時效后的鈦合金TC11的磨損量有較大的影響，200℃時磨損量最小，300℃時磨損量最大，最大磨損量是最小磨損量的2倍；磨損量大小依次為300、400、100、200℃。

（3）100、200、300℃時，固溶時效后的鈦合金TC11主要以磨粒磨損為主，同時均伴有氧化磨損，氧化磨損隨著溫度愈發明顯；400℃時，隨著磨損區域氧化物增加，磨損機理以氧化磨損為主，并伴有磨粒磨損和少量黏著磨損。

參考文獻：

[1]Zhang Xiyan，Zhao Yongqing，Bai Chenguang．Titanium alloys and applications[M]．Beijing：Chemical Industry Press，2005.

[2]Song Z M，Lei L M，Zhang B，et al．Microstructure dependent fatigue cracking resistance of Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si alloy[J]．Journal of Materials Science ＆Technology，2012，28：614-621．

[3]毛小南，趙永慶，楊冠軍．國外航空發動機用鈦合金的發展現狀[J]．稀有金屬快報，2007，26(5)：1-7．

[4]劉鵬．超硬刀具高速銑削鈦合金的基礎研究[D]．南京：南京航空航天大學，2011.

[5]范依航，郝兆朋，林潔瓊，等．干切鈦合金 Ti-6Al-4V 時硬質合金刀具磨損行為研究[J]．制造技術與機床，2015(11)：148-152.

[6]韓變枝，劉公雨，陳明，等．高效銑削鈦合金涂層硬質合金刀具 優 選 及 磨 損 試 驗 研 究 [J]． 制 造 技 術 與 機 床 ，2018(8)：152-157.

[7]梁雄， 杜平， 高黨尋， 等.Ti-6Al-4V/WC-Co 干摩擦性能研究[J]．制造技術與機床，2022(1)：98-102．

[8]Celik A．Dopant-dependent diffusion behavior of  SiAlON ceramics against Inconel 718 superalloy [J]．Ceramics International，2018，44：17440-17446．

[9]Zhang Heng，Dang Jiaqiang，Ming Weiwei，et  al．Cutting responses of additive manufactured Ti6Al4V with solid ceramic tool under dry high-speed milling processes [J]．Ceramics International，2020，46：14536-14547．

[10]Sun Jianfei，Huang Shun，Ding Haitao，et al．Cutting performance and wear mechanism of Sialon ceramic tools in high speed face milling GH4099 [J]．Ceramics International，2020，46(2)：1621-1630．

[11]李景陽，王文波，秦 林，等．TD3 鈦合金離子滲氮層的摩擦磨損性能[J]．金屬熱處理，2021(9)：258-261.

---

tag標簽:TC11鈦合金

---