在航空航天领域，紧固件产品“数以万计、类以群分、连结构、接系统、小物大为”，铸就了型号的钢筋铁骨，保障了装备的质量可靠性^[1]。特别是钛合金紧固件，由于其具备耐蚀、轻质、比强度高及高温稳定性好等优点，在航空航天中至关重要。但钛合金材料存在滑动摩擦系数大、摩擦学性能差、导热系数小及化学活性高的缺点，在飞机结构破坏中涉及摩擦磨损的比例高达90％，摩擦磨损不仅影响零件尺寸，降低精度，使配合零件间产生松动，还易引起应力集中，促使微裂纹萌生扩展，由此导致的损伤会严重影响构件的正常工作和安全寿命。当钛合金螺栓与钛合金自锁螺母配合时，在一定的力矩拧紧下易产生黏着和“咬死”现象。因此，进行不同表面状态下的TC4钛合金螺栓摩擦机理研究是航空航天领域重要的研究课题。

国内在20世纪90年代开始对钛合金展开相关研究。1991年，北京航空航天大学王世洪等对TC4和Ti-1023合金摩擦磨损特点及常温高温环境下的摩擦疲劳性质，提出表层交应变切应力作用导致的疲劳脱层是其主要损伤性质，初步证明喷丸处理虽能提高摩擦疲劳强度，却无法改善摩擦磨损性能的试验结果^[2]。2001年，西北工业大学刘道新等综述了影响TC4钛合金FF行为的各因素及其相互联系，提出FF寿命随压力与位移幅的变化是非单调的，且接触几何通过改变接触区应力集中而影响裂纹萌生概率^[3]。2006年，卫中山等研究了TC4在柱面–平面接触条件下的FF，通过观察摩擦区域的磨损形貌来分析损伤机制，对磨屑的形成及其对FF行为影响进行分析，结果表明，TC4 摩擦区的损伤机制主要以粘着、磨粒磨损为主，硬质氧化颗粒会加速表面磨粒磨损，促进疲劳失效^[4]。后续冯慧峤、曲璇中、应扬等也开展了钛合金的摩擦磨损的相关研究^[5−10]，但还未开展不同表面状态下的TC4钛合金螺栓摩擦机理研究。

综上，本文以TC4钛合金为基体，对其表面未处理（LT）、脉冲阳极氧化（PA）、脉冲阳极氧化+涂铝（PA-Al）和脉冲阳极氧化+涂MoS₂（PA-MoS₂）这4种表面状态样品进行摩擦学性能测试，对摩擦系数、磨损率、磨损形貌进行分析研究，探究不同表面状态下钛合金摩擦副的摩擦特性和磨损机理。其研究成果不仅保障国家型号的质量可靠性，也具有重要学术理论价值和广泛的应用前景。

1.   试验

1.1   试验力学模型

螺栓内外螺纹形成的螺旋副在拧入拧出过程中，通过驱动力矩和轴向力发生相对运动，力学模型可以简化为作用在中径上的直线运动，即水平推力推动滑块沿中径展开的斜面上的运动，如图1a所示。

图  1  力学模型图

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拧紧时等效为滑块沿斜面匀速上升，维持滑块匀速运动所需的推力为$F = {F_{{a}}}\tan(\psi + \rho ) $，产生的螺纹扭矩为$ {T_{th}} = F\dfrac{{{d_2}}}{2} = {F_a}\dfrac{{{d_2}}}{2}\tan(\psi + \rho ) $，如图1b所示。

拧松时等效为滑块沿斜面匀速下降，维持滑块匀速运动所需的平衡力为$ F = {F_{{a}}}{\tan}(\psi - \rho ) $。产生的螺纹扭矩为$ {T_{th}} = F\dfrac{{{d_2}}}{2} = {F_a}\dfrac{{{d_2}}}{2}\tan(\psi - \rho ) $，如图1c所示。

为了摸索螺栓螺旋副在不同表面状态下的摩擦机理，通过使用摩擦磨损试验机（UMT-3）对制备不同表面状态的TC4样品，采用球盘旋转摩擦的方式，表征螺栓螺旋副在不同测试条件下的摩擦学性能进行测试。

1.2   试验原理方法

摩擦磨损试验机（UMT-3）测试原理如图2所示，上试样选择直径为10 mm的TC4钛合金小球。选取1 N作为测试载荷，试验所选运动形式为旋转模式，旋转半径为3 mm，旋转速度为20 r/min（线速度6.28 m/s），测试时间20 min，温度为室温。选择LT、PA、PA-Al、PA-MoS₂四种不同表面状态进行对比研究分析。

图  2  摩擦磨损试验机（UMT-3）工作原理图

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1.3   试样制备

PA试样的制备工艺流程为：装挂→除油→流动热水洗→酸腐蚀→流动冷水洗→阳极氧化→流动冷水洗→封闭→干燥→交检。零件阳极氧化前需要除油干净，酸洗时间按要求控制防止氢含量超标。

PA-Al试样制备中的脉冲阳极氧化按上述要求执行，涂铝采用离心浸涂或喷涂。离心浸涂工艺是将试样浸泡在涂料中，待涂料完全覆盖全试样后，将试样取出放置于离心机中，通过离心力的作用将附着于工件表面的涂料均匀化，并将多余的涂料抛出；喷涂工艺分为手工喷涂和设备喷涂，主要靠人工和设备来获得较为均匀的表面涂层厚度，满足标准要求。

PA-MoS₂试样制备中的脉冲阳极氧化按上述要求执行，涂二硫化钼采用浸涂或喷涂工艺方法，按前处理→检验→装挂→涂覆→固化→交检等工艺流程制备，一般钛合金类材料紧固件涂MoS₂前处理状态为喷砂+脉冲阳极氧化。

对制备完成的PA、PA-Al、PA-MoS₂试样表面性能指标及厚度进行测试，附着力采用3M公司250号胶带贴于产品表面，未出现涂层与基体金属分离的现象。PA-MoS₂镀层厚度典型图如图3所示，试样强度及镀层厚度等测试数据见表1。

图  3  PA-MoS₂镀层厚度典型图

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1.4   试验参数确定

图4所示为表面状态4组样品（LT、PA、PA-Al、PA-MoS₂）的原始样品表面三维形貌图，可以看出4组粗糙度有很大的差别。每组样品取4个150 µm × 300 µm的区域，测表面粗糙度S_a，具体数值见表1、表2，绘制柱状图如图5所示。虽然本组变量为表面处理方式（表面状态），但甲方提供样品的表面粗糙度差异明显，对摩擦实验结果可能会产生一定影响。

表  1  试样强度及镀层厚度

表面状态	强度/MPa	镀层厚度/μm
PA	1 186	2
PA-Al	1 185	5.25
PA-MoS2	1 185	5.13

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图  4  不同表面状态样品粗糙度三维图

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图  5  不同表面状态样品粗糙度

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表  2  三维白光测得4组样品的表面粗糙度S_a

粗糙度	LT	PA	PA-Al	PA-MoS2
Sa/µm	0.269 5	0.563 5	0.693 3	0.951 5
标准偏差/µm	0.125 1	0.049 4	0.099 3	0.068 1

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1.5   磨损形貌分析表征

使用超景深显微镜（VHX-6000，日本）表征样品磨痕及磨球磨斑的宏观磨损形貌；使用三维白光干涉形貌仪（Nexview，美国）表征磨损区域三维形貌和表面粗糙度，并计算样品的磨损体积及磨损率。使用聚焦离子束扫描电镜（LYRA3，捷克）拍摄磨损区域，观察样品磨损的微观形貌，并使用配套的EDS能谱仪分析样品磨损区域的元素组成。综合分析各种测试结果，探究不同表面状态样品的减摩耐磨机理。

2.   试验结果与分析

2.1   摩擦系数

图6所示为载荷1 N、速度20 r/min、室温条件下， 4个不同表面状态的样品的摩擦系数曲线。实验结果重复性好，此处展示每组的一个样品测试结果。随着摩擦时间的增加，其COF都呈现增大的趋势。LT试样的摩擦系数波动剧烈，且COF相对较大，最后稳定在0.55附近，主要原因为LT与TC4球对摩件发生明显的黏着磨损。PA的摩擦系数最低，范围仅仅在0.1～0.15，且非常平稳，并无剧烈波动，说明PA的表面处理对于降低涂层表面COF有着非常好的效果。经过PA-Al表面处理的COF上升明显，600 s时升高到0.53，最终稳定在0.6，说明涂层随着实验的进行逐渐失效。PA-MoS₂样品的COF同样较低，在0.2～0.25，无波动和快速上升的趋势，COF比较稳定。由COF变化可以看出，从减摩角度考虑，PA和PA-MoS₂样品均有明显减摩效果，PA样品减摩效果最佳。

图  6  不同表面状态摩擦系数对比

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2.2   磨痕宏观形貌及磨损率

图7所示为4组不同表面状态的样品的磨痕形貌、磨球形貌、宏观形貌及三维形貌图，可以看出LT样品磨痕最宽、磨痕最深，同时磨球的磨斑也最大，磨损明显；PA样品磨痕较浅且最窄，同时磨球的磨斑也最小；PA-Al样品磨痕为黑色，不连续，磨球磨斑较大；PA-MoS₂样品磨痕宽度与PA-Al样品相近，磨痕连续，磨球磨斑较小。

图  7  4组不同表面状态的样品的磨痕形貌、磨球形貌、宏观形貌及三维形貌图

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不同表面状态样品的磨损体积和磨损率如图8所示，PA-Al样品表面生成氧化铝，其硬度高、脆性大，降低了样品的耐摩擦性能，磨损体积与磨损率最大，耐磨性比LT差；LT和PA-MoS₂磨损率相当，PA-MoS₂并未提高裸钛的耐磨性。PA样品表面覆盖硬度高、润滑性好的TiO₂,耐磨性最好。

图  8  不同表面状态样品磨损体积及磨损率

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2.3   磨痕微观形貌分析

如图9a所示，LT样品表面磨痕最宽，大部分较平整，但有许多突起的黏着物黏附在表面，指示黏着磨损可能性。元素组成主要以Ti元素为主，并存在Al、V、O和C。

图  9  不同表面状态样品SEM图及EDS能谱图

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如图9b所示，PA样品表面磨痕最窄，磨痕轻微，细微粉末脱落。元素组成主要以Ti为主，并存在Al、O和C，检测到明显P元素存在，推测可能由于脉冲阳极氧化过程使用磷酸盐溶液。

如图9c所示，PA-Al样品表面磨痕宽度居中，磨损形貌为片层状，有大块的剥落孔洞和块状物，未磨损区域较平整，可能由于涂敷Al质量差、表面脆性高导致。元素组成含有大量Al, 并存在Ti、O、C和Pb。检测到Pt元素是由于样品导电性不好表面喷Pt所致，非样品本身元素。

如图9d所示，PA-MoS₂样品表面磨痕较窄，表面平整，放大图能看出表面由许多不规则的块状物组成。元素组成以S和Mo为主，并存在C、O和Si。

2.4   摩擦机理分析

根据本课题的实验结果，提出不同表面状态下TC4-TC4钛合金摩擦副的磨损机理图。

（1）LT样品表面与TC4小球发生黏着磨损，磨损率和摩擦系数较高，如图10a所示。

图  10  不同表面状态的TC4-TC4钛合金摩擦副磨损机理

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（2）PA样品的表面会生成TiO₂，其硬度高，减摩性好，可以大幅提高材料的耐摩擦性能，磨损率和摩擦系数最低，磨损机理如图10b所示。

（3）PA-Al样品表面会生成Al₂O₃，其具有高硬度，可以提高材料力学性能，但其韧性低，容易发生脆裂，在表面形成剥落坑，反而降低了材料的耐磨特性；相对于LT，PA-Al的摩擦系数和磨损率均有增加，未显示减摩耐磨特性，为非有效涂层，磨损机理如图10c所示。

（4）PA-MoS₂样品表面存在MoS₂润滑膜，通过层间滑移剪切的形式降低摩擦系数，提高耐磨性，磨损机理如图10d所示。

3.   结语

通过对LT、PA、PA-Al、PA-MoS₂四种不同表面状态进行对比研究，针对摩擦系数、磨痕宏观形貌及磨损率、磨痕微观形貌进行表征分析，揭示不同表面状态下TC4-TC4钛合金摩擦副的磨损机理，对工程应用建议如下：

（1）根据实验结果分析，避免TC4和TC4材料直接接触可以有效防止黏着磨损发生，采用易加工材料表面涂镀层是很好的方式。

（2）在紧固件给定的工况载荷下，PA对于TC4合金的减摩耐磨性提高最为明显，PA-MoS₂样品次之。

通过开展四种不同表面状态下的摩擦机理研究，取得了一定的成果，其研究成果不仅保障国家型号的质量可靠性，也具有重要学术理论价值和广泛的应用前景。