鈦合金傳動(dòng)花鍵軸表面硬化涂層磨損性能測(cè)試

針對(duì)鈦合金動(dòng)力傳動(dòng)花鍵軸的表面硬度及耐磨性能不足問(wèn)題，開(kāi)展鈦合金試件和模擬花鍵接頭不同表面耐磨涂層制備及性能測(cè)試的試驗(yàn)研究，對(duì)鈦合金花鍵表面耐磨涂層的選取及其耐磨性能的試驗(yàn)驗(yàn)證工作具有一定的參考價(jià)值。動(dòng)力傳動(dòng)花鍵軸是直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件之一，其功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速傳遞給主減速器，并適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)與主減速器之間因制造、安裝及直升機(jī)飛行姿態(tài)改變等帶來(lái)的軸向或角向偏載。動(dòng)力傳動(dòng)花鍵軸與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸一般采用浮動(dòng)花鍵連接，要求具有較高的耐磨性能，通常采用滲碳鋼制備。直升機(jī)在沿海地區(qū)執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，鋼制花鍵軸容易出現(xiàn)涂層剝落或銹蝕問(wèn)題，影響使用壽命。鈦合金作為一種高比強(qiáng)度、防腐性能優(yōu)良的材料，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)上獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。采用鈦合金材料（如TC4、TC6等）設(shè)計(jì)動(dòng)力傳動(dòng)花鍵軸，不僅可以提高花鍵軸的防腐性能，也大大減輕了花鍵軸的質(zhì)量。但其耐磨性能不能滿(mǎn)足壽命要求，如何提高鈦合金花鍵表面的耐磨性能成為制約該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。硬質(zhì)涂層具有高硬度、高彈性模量、優(yōu)良的耐磨損性能，主要有碳基涂層（如類(lèi)金剛石DLC）和氮化物涂層（CrN、TiN）等，利用真空鍍膜技術(shù)在花鍵軸表面沉積硬質(zhì)耐磨涂層是解決鈦合金花鍵表面耐磨性能不足的有效途徑之一。涂層制備與性能測(cè)試本文選用3種耐磨涂層（DLC、CrN、TiN）開(kāi)展鈦合金試件表面鍍膜，通過(guò)性能測(cè)試和鍍膜試件的磨損性能試驗(yàn)對(duì)比，選擇合適的涂層開(kāi)展鈦合金花鍵接頭表面鍍膜，通過(guò)花鍵接頭摩擦磨損試驗(yàn)，驗(yàn)證所選涂層能否滿(mǎn)足鈦合金花鍵表面的耐磨性能要求。涂層鍍膜選用TC4作為鈦合金基體材料，采用多技術(shù)復(fù)合真空鍍膜設(shè)備沉積DLC涂層，如圖1（a）所示，由于DLC膜層硬度很高，而鈦合金基體又偏軟，為有效提高膜層的結(jié)合強(qiáng)度，在基體與DLC層之間沉積硬度梯度過(guò)渡層，以協(xié)調(diào)DLC層與基體之間結(jié)構(gòu)和物理性能的錯(cuò)配。圖1

鍍膜鈦合金試件采用電弧離子鍍技術(shù)制備CrN、TiN硬質(zhì)薄膜，如圖1（b）和圖1（c）所示，在鈦合金試件表面沉積CrN、TiN薄膜時(shí)，仔細(xì)清除試件基材表面的油污或其他污染物，漏出基材新鮮表面，合理控制氮?dú)饬髁?，在試件表面均勻沉積CrN、TiN薄膜。涂層性能測(cè)試分別對(duì)鈦合金試件表面涂覆的DLC、CrN、TiN涂層進(jìn)行硬度、厚度及結(jié)合力的測(cè)試。對(duì)鍍膜后的隨爐鈦合金試件進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1

硬度對(duì)比表對(duì)鍍膜后的隨爐鈦合金試件進(jìn)行切割、鑲樣、磨拋，經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察，厚度截面照片如圖2所示。圖2

涂層厚度對(duì)表面沉積3種涂層的鈦合金試件分別進(jìn)行劃痕試驗(yàn)，測(cè)得的結(jié)合力如表2所示。表2

結(jié)合力對(duì)比表通過(guò)對(duì)表面沉積有DLC、CrN、TiN涂層的鈦合金試件進(jìn)行硬度、厚度及結(jié)合力的測(cè)試表征，3種涂層均勻致密，與鈦合金基材結(jié)合良好。經(jīng)涂層處理后的鈦合金試件，可進(jìn)一步通過(guò)微動(dòng)磨損試驗(yàn)來(lái)比較摩擦學(xué)性能。耐磨涂層磨損試驗(yàn)分別對(duì)表面涂覆DLC、CrN、TiN涂層的鈦合金試件，開(kāi)展不同載荷、溫度和潤(rùn)滑條件的磨損性能測(cè)試。本文磨損性能的對(duì)比主要從磨損系數(shù)的差異進(jìn)行分析，磨損系數(shù)定義為單位負(fù)荷作用下滑動(dòng)單位距離所引起的體積磨損，考慮到磨損體積量測(cè)試數(shù)值較小，為便于表征，將磨損系數(shù)的定義為K×10-17m3/(N·m)。載荷對(duì)磨損系數(shù)影響針對(duì)TC4基體、DLC、CrN、TiN涂層試件，統(tǒng)計(jì)載荷對(duì)磨損系數(shù)的影響如表3所示。表3

載荷對(duì)磨損系數(shù)的影響磨損系數(shù)測(cè)試結(jié)果綜合對(duì)比表明：各類(lèi)涂層磨損系數(shù)隨載荷增大而總體下降，TC4磨損系數(shù)最大，DLC磨損系數(shù)最小，CrN磨損系數(shù)較小。各載荷下，磨損系數(shù)平均值由大到小順序?yàn)門(mén)C4、TiN、CrN、DLC。溫度對(duì)磨損系數(shù)的影響針對(duì)TC4基體、DLC、CrN、TiN涂層試件，統(tǒng)計(jì)溫度環(huán)境對(duì)磨損系數(shù)的影響如表4所示。表4

溫度對(duì)磨損系數(shù)的影響磨損系數(shù)測(cè)試結(jié)果綜合對(duì)比表明：溫度對(duì)磨損系數(shù)具有一定影響，總體而言，所有表面處理的磨損系數(shù)均隨溫度升高而升高，DLC受影響較??；各溫度下，DLC的磨損系數(shù)平均值較CrN、TiN的要小，受影響最大的涂層是TiN，TC4基體的磨損系數(shù)非常大。潤(rùn)滑對(duì)磨損系數(shù)的影響針對(duì)TC4基體、DLC、CrN、TiN涂層試件，統(tǒng)計(jì)潤(rùn)滑條件對(duì)磨損系數(shù)的影響如表5所示。表5

潤(rùn)滑對(duì)磨損系數(shù)的影響磨損測(cè)試結(jié)果綜合對(duì)比表明：潤(rùn)滑對(duì)磨損系數(shù)影響很大，無(wú)潤(rùn)滑條件下的磨損系數(shù)遠(yuǎn)大于有潤(rùn)滑條件的磨損系數(shù)，所有表面處理方式對(duì)于潤(rùn)滑條件都很敏感，CrN對(duì)潤(rùn)滑條件的敏感程度最低，TiN對(duì)潤(rùn)滑條件敏感程度最高。通過(guò)綜合對(duì)比不同載荷、溫度和潤(rùn)滑條件下3種鈦合金試件表面涂層的磨損性能，DLC和CrN涂層在性能穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更優(yōu)。鈦合金花鍵表面硬化涂層技術(shù)本文研究的鈦合金花鍵表面硬化涂層技術(shù)主要是利用物理氣相沉積方法在花鍵表面沉積硬質(zhì)涂層。物理氣相沉積技術(shù)是在真空中將金屬、合金或化合物進(jìn)行蒸發(fā)、濺射或離化，使其在被涂覆的物體表面凝固并沉積的方法，鍍膜過(guò)程不產(chǎn)生廢液和有毒有害氣體，是一種清潔、綠色、無(wú)污染的表面強(qiáng)化技術(shù)?；ㄦI的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表6所示。表6

花鍵主要設(shè)計(jì)參數(shù)涂層鍍膜結(jié)合鈦合金試件的涂層性能和磨損性能測(cè)試結(jié)果，基于鈦合金試件的鍍膜經(jīng)驗(yàn)對(duì)鈦合金花鍵開(kāi)展DLC和CrN涂層鍍膜。首先，對(duì)花鍵接頭的鍍膜區(qū)進(jìn)行微噴砂，去除鈦合金表面的氧化皮，露出基體；然后，對(duì)花鍵接頭進(jìn)行超聲清洗，除去花鍵接頭表面的油污及噴砂殘留的微粒；第三，用干燥的壓縮空氣吹干花鍵接頭表面殘留的水分；第四，利用磁控濺射復(fù)合離子源技術(shù)在最表層沉積DLC層，提高薄膜的耐磨性；最后，利用電弧離子鍍技術(shù)驅(qū)動(dòng)Cr靶材，控制氮?dú)饬髁?，在鈦合金花鍵接頭表面沉積CrN涂層。根據(jù)上述方法，分別涂覆DLC涂層花鍵接頭和CrN涂層花鍵接頭，如圖3（a）和圖3（b）所示。圖3

硬化涂層花鍵接頭性能測(cè)試分別對(duì)鈦合金花鍵接頭表面的DLC涂層和CrN涂層進(jìn)行硬度、厚度及結(jié)合力的測(cè)試。對(duì)隨爐鈦合金花鍵接頭表面的DLC涂層和CrN涂層進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表7所示。表7

花鍵接頭涂層硬度對(duì)比表對(duì)鍍膜后的隨爐鈦合金花鍵接頭進(jìn)行切割、鑲樣、磨拋，經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察，截面照片如圖4所示?？梢?jiàn)，涂層均勻致密，與鈦合金基材結(jié)合良好。圖4

花鍵接頭涂層厚度對(duì)鍍膜后的隨爐鈦合金花鍵接頭進(jìn)行劃痕試驗(yàn)，測(cè)得的結(jié)合力如表8所示。表8

花鍵接頭涂層結(jié)合力對(duì)比表通過(guò)對(duì)鈦合金花鍵接頭鍍膜后的硬度、厚度、結(jié)合力的表征測(cè)試，結(jié)果均滿(mǎn)足要求，與鈦合金試件涂層的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)。鈦合金花鍵接頭摩擦磨損試驗(yàn)為驗(yàn)證鈦合金花鍵接頭表面耐磨涂層的可靠性及有效性，分別對(duì)上述兩種涂層的鈦合金花鍵接頭進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)程序按圖5所示加載方向，對(duì)扭矩進(jìn)行周期性加載，模擬直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)花鍵軸實(shí)際工況（見(jiàn)表9），每一次加載為一主循環(huán)，包括加載、小循環(huán)以及卸載3個(gè)過(guò)程。加載過(guò)程時(shí)間為4s，達(dá)到一個(gè)扭矩值（TM）。然后進(jìn)行小循環(huán)試驗(yàn)，扭矩值波動(dòng)加載，波動(dòng)值為±5%TM，波動(dòng)頻率為3～5Hz，小循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行500循環(huán)。完成小循環(huán)試驗(yàn)后，進(jìn)行4s扭矩卸載。完成一次主循環(huán)后，隔2s開(kāi)展下一次主循環(huán)加載，依次類(lèi)推，累積循環(huán)數(shù)達(dá)到表9要求或被試件損壞時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。圖5

扭矩加載表9

試驗(yàn)加載程序表在每一次扭矩加載的主循環(huán)過(guò)程中，對(duì)內(nèi)花鍵施加往復(fù)滑動(dòng)，滑動(dòng)位移為1～2mm，滑動(dòng)頻率為0.1～0.2Hz，試驗(yàn)過(guò)程中需進(jìn)行花鍵表面潤(rùn)滑。試驗(yàn)結(jié)果及分析按照表9要求開(kāi)展磨損試驗(yàn)循環(huán)，頻率為3Hz，完成每個(gè)階段后對(duì)2種涂層花鍵接頭進(jìn)行檢查，對(duì)循環(huán)次數(shù)、花鍵接頭質(zhì)量和花鍵齒面情況進(jìn)行詳細(xì)記錄。試驗(yàn)累積完成600萬(wàn)循環(huán)后，花鍵齒面磨損情況良好，未出現(xiàn)涂層剝落、起皮等異常現(xiàn)象（見(jiàn)圖6），試驗(yàn)前、后的花鍵質(zhì)量如表10所示，DLC和CrN涂層花鍵接頭的質(zhì)量損失比分別為0.23%和0.35%，損失量極小，試驗(yàn)前、后無(wú)明顯差異。結(jié)合試驗(yàn)前、后花鍵齒面的磨損情況及質(zhì)量損失情況分析表明，DLC和CrN涂層可以滿(mǎn)足鈦合金動(dòng)力傳動(dòng)花鍵軸的使用工況要求。圖6

花鍵接頭