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关于钛合金激光着色的耐磨性和耐候性探讨

时间:2018-04-16 14:01来源:未知 作者:admin 点击:
摘 要:本文对TC4钛合金激光着色样品展开耐磨性和耐候性测试,探索钛合金激光着色工艺对钛合金表面性能的改善作用。从测试结果来看,激光着色后的钛合金样品表面摩擦系数降低了11.1%-17.8%,磨损率也有所降低,使得材料耐磨性得到了有效提高;样品在湿热环境

  摘 要:本文对TC4钛合金激光着色样品展开耐磨性和耐候性测试,探索钛合金激光着色工艺对钛合金表面性能的改善作用。从测试结果来看,激光着色后的钛合金样品表面摩擦系数降低了11.1%-17.8%,磨损率也有所降低,使得材料耐磨性得到了有效提高;样品在湿热环境中放置50h后未发生明显颜色变化,激光着色样品具有良好的耐候性。 
  关键词:钛合金激光着色;耐磨性;耐候性 
  中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2018)06-0088-02 
  1 钛合金激光着色后的表面性能测试 
  1.1 表面耐磨性测试 
  利用激光进行TC4钛合金表面微型构造加工,可以使样品表面发生织构化,从而使材料耐磨性得到提高[1]。为验证这一观点,对TC4钛合金激光着色前后的摩擦系数和磨损率进行测试,以验证样品表面性能变化。 
  1.1.1 摩擦系数测试 
  在摩擦系数测试上,使用设备型号为HT-100的高温摩擦磨损试验机展开试验。在测试过程中,需选取黄绿、紫色、绿色、黄色和藍色这5种典型TC4钛合金激光着色试样,并准备未着色TC4钛合金基体,共同开展滑动干摩擦磨损实验。通过对比,研究激光着色后样品的摩擦系数变化情况。 
  1.1.2 磨损率测试 
  磨损率是试样在单位时间和单位载荷下的磨损量。在摩擦磨损实验中,对试样的质量磨损量进行测量,完成磨损率计算,从而更好的确认试样磨损性能。利用式(1),进行磨损率I的计算。式中dM指的是质量磨损量,dt则时磨损时间,dF指的是载荷。在实验前后,利用丙酮超声波进行试样表面清洗,并利用风机吹干,然后进行试样质量称量,称量使用的天平的感量为0.1mg。针对各试样,需分别称重5次,然后进行平均值求取。 
  I=dM/(dF×dt) (1) 
  1.2 表面耐候性测试 
  对TC4钛合金着色试样进行耐候性测试,利用恒温恒湿试验箱ZH-TH-80D为试样提供测试需要的环境。将试验箱湿度调整为80%RH,温度调整为120℃,然后分别在10h、20h、30h、40h、50h后将着色试样取出与原始试样完成颜色比对,颜色测试使用美国OceanOptics公司生产的规格型号为Maya-PRO的光谱仪。 
  2 钛合金激光着色的耐磨性和耐候性分析 
  2.1 材料耐磨性分析 
  2.1.1 摩擦系数分析 
  如图1(a),未着色基体的摩擦系数呈现出先增长后稳定的变化趋势。在实验一开始,基体的摩擦系数约为0.25,此时实验阶段可以被称之为预磨阶段。在0到8min内,基体表面摩擦系数不断提高,直至进入稳定阶段,即8min后,基体表面摩擦系数维持在0.45左右。分析该现象产生的原理可以发现,摩擦系数与摩擦力大小有直接的关系,在试样承受的载荷一定的情况下,摩擦力由粘黏分量、犁削分量和微凸变形分量构成。在一开始摩擦时,由于未着色基体表面较为光滑,所以摩擦系数较小。此时,基体表面微凸点只有很小面积与摩擦副小球表面硬质颗粒接触,因此试样接触点上承担较大压力[2]。 
  5种着色试样的摩擦系数变化情况如图(b)2所示,在一开始阶段,试样与基体拥有大致相同的摩擦系数,大小均不超出0.25。进入预磨阶段,着色试样摩擦系数快速提高,但相较于基体试样,着色试样的预磨时间仅在4min左右。进入到稳定阶段,着色试样的摩擦系数取值在0.37-0.40范围内,摩擦系数较之基体试样降低了11.1%-17.8%。分析该现象产生原因可以发现,经过激光着色后,钛合金表面将产生着色膜层[3]。而该种膜层表面存在细微裂纹,本身不够致密,所以在预磨阶段产生磨屑的速度更快,试样磨面也能尽快进入稳定状态。 
  2.1.2 磨损率分析 
  如表1所示,为各种试样的磨损率。从磨损率测试结果来看,在实验后,基体试样质量磨损量达到了6.81mg,黄绿、紫色、绿色、黄色和蓝色这5种着色试样的质量磨损量分别达到了5.19、5.33、4.71、4.77、4.0mg。从测试结果来看,经过激光着色后,钛合金表面磨损率得到了明显降低,可以说明材料表面耐磨性得到了提高。 
  2.2 材料耐候性分析 
  材料耐候性测试如表2所示。5种着色试样在恶劣环境条件下保存50h后,试样色差值并未超出4,所以基本可以忽略试样颜色变化,由此可见经过激光着色后的TC4钛合金试样拥有较好的耐候性。分析该现象产生的原因可以发现,经过激光着色处理后,钛合金表面产生了氧化薄膜,可以防止空气中的氧气与基体反应。即便在高温高湿条件下,基体与氧的反应也将被减慢,因此试样表面颜色并未发生较大变化。 
  3 结语 
  通过分析可以发现,采用激光着色方法进行钛合金表面处理,不仅能够使材料表面色彩更加丰富,还能使材料的耐磨性能得到改善,同时也能使材料获得较好的耐候性,所以能够使材料的附价值得到提升。 
  参考文献 
  [1]高鸿志,李建美,霍孟友.纳秒激光金属表面着色技术机理研究的发展与展望[J].应用激光,2017,37(05):752-758. 
  [2]刘忠民,郭亮,张庆茂.纳秒激光不锈钢着色过程中的热作用及氧化规律[J].应用激光,2017,37(04):563-568. 
  [3]李云龙,李建美,王爱群,等.激光诱导Ti-6Al-4V钛合金表面着色研究[J].激光与红外,2017,47(06):674-679.

 

 

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