鈦合金因其優(yōu)異的機(jī)械性能、良好的生物相容性和優(yōu)異的耐腐蝕性能而成為航空、航天、生物以及航海工業(yè)中不可或缺的結(jié)構(gòu)材料。 鈦合金表面在大氣或者海水中會(huì)立即生成1 層保護(hù)膜，使之處于鈍化狀態(tài)。 在常溫海水環(huán)境中不發(fā)生點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，是目前已知的抗常溫海洋環(huán)境腐蝕好優(yōu)異的金屬材料。 雖然鈦合金表面易鈍化而防腐，但是在中等載荷和轉(zhuǎn)速下很容易被擦傷從而導(dǎo)致鈍化膜的破壞，加劇腐蝕。 在海水環(huán)境中對(duì)于摩擦學(xué)的研究具有重要的意義，對(duì)于海洋設(shè)備的開(kāi)發(fā)和利用，尤其是能為海水液壓傳動(dòng)系統(tǒng)提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。 海水液壓傳動(dòng)系統(tǒng)以海水作為工作介質(zhì)，具有環(huán)境相容性，其廣泛應(yīng)用于水下機(jī)器人、深海設(shè)備、海上采油平臺(tái)等領(lǐng)域。 當(dāng)腐蝕和摩擦共同作用于金屬時(shí)，機(jī)械和電化學(xué)因素的共同作用會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的反應(yīng)并促進(jìn)其失效。 腐蝕磨損一般是指發(fā)生在腐蝕介質(zhì)中的磨損現(xiàn)象，是力學(xué)因素、化學(xué)因素以及電化學(xué)因素及其交互作用的結(jié)果。

   研究腐蝕磨損交互作用需要測(cè)量電化學(xué)腐蝕作用和摩擦作用各自的速度，由于它們是同時(shí)發(fā)生于同一個(gè)腐蝕磨損體系中，因此難以用傳統(tǒng)的失重法同時(shí)分別地測(cè)出材料的磨損和電化學(xué)腐蝕速度。 為此研制了1 種電化學(xué)腐蝕磨損裝置，對(duì)腐蝕磨損體系進(jìn)行電化學(xué)控制和監(jiān)測(cè)，提出了1 種研究電化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨損相互作用的分析方法，對(duì)TC4 鈦合金在海水環(huán)境下的電化學(xué)腐蝕以及耐腐蝕磨損性能進(jìn)行了研究。

   1 實(shí)驗(yàn)部分

   1. 1 試驗(yàn)設(shè)備

   在國(guó)產(chǎn)MMW － 1 型立式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行TC4 鈦合金的腐蝕磨損試驗(yàn)，采用銷－ 盤滑動(dòng)接觸方式，由于要對(duì)TC4 鈦合金的電位和電流進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)該試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了部分改裝，將電化學(xué)工作站引入腐蝕磨損體系，圖1 為改裝后的腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理示意圖。 其工作過(guò)程為： 圓柱形陶瓷銷試樣安裝在主軸上并隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)； 環(huán)形下試樣固定不動(dòng)，并始終浸泡于海水之中，環(huán)試樣只有上表面接觸海水，其余表面密封。 在腐蝕磨損過(guò)程中，鈦合金下試樣作為工作電極，其腐蝕電化學(xué)信號(hào)輸出帶有電腦測(cè)控的CHI760C 型電化學(xué)恒電位儀，在試驗(yàn)槽內(nèi)安裝Pt 輔助電極和魯金毛細(xì)管，魯金毛細(xì)管通過(guò)鹽橋連接到飽和甘汞參比電極（ SCE） ，組成三電極系統(tǒng)，從而可進(jìn)行相應(yīng)的電化學(xué)測(cè)量和監(jiān)控。 在試驗(yàn)中均以下試樣作為研究對(duì)象，測(cè)定其在不同試驗(yàn)條件下的腐蝕磨損性能。

1. 2 腐蝕磨損定量測(cè)試

   在腐蝕磨損過(guò)程中，材料的破壞包括材料因素、電化學(xué)因素、力學(xué)因素和環(huán)境因素的共同作用。 在腐蝕介質(zhì)中，電化學(xué)因素和力學(xué)因素對(duì)材料產(chǎn)生明顯地腐蝕磨損交互作用。 一般來(lái)說(shuō)材料的總磨損量VT大于純腐蝕量Vc與純磨損量Vm之和，其增加量可稱為腐蝕磨損交互作用量ΔV:

而腐蝕磨損交互作用量ΔV 又可分為兩部分：

   腐蝕對(duì)磨損的促進(jìn)量Vcm以及磨損對(duì)腐蝕的促進(jìn)量Vmc，即：

   1. 2. 1 VT的測(cè)定

   采用精度為0. 1 mg 的電子天平準(zhǔn)確稱量在開(kāi)路電位條件下的腐蝕磨損試驗(yàn)前后TC4 鈦合金試樣的失重，進(jìn)而得到TC4 鈦合金的體積損失量。

   1. 2. 2 Vm的測(cè)定

   采用陰極保護(hù)法測(cè)定TC4 鈦合金的純磨損量，陰極保護(hù)電位為－ 1 000 mV（SCE） ，此時(shí)腐蝕作用被抑制，材料的損失可以看作單純機(jī)械磨損失重，進(jìn)而得到TC4 鈦合金的體積損失量。

   1. 2. 3 Vc與Vmc的測(cè)定

   采用電化學(xué)方法來(lái)測(cè)定TC4 鈦合金在靜態(tài)腐蝕條件下以及摩擦過(guò)程中的腐蝕電流密度。 按照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的研究腐蝕和磨損交互作用的標(biāo)準(zhǔn)ASTM G1119 － 04［13］，根據(jù)實(shí)測(cè)塔菲爾極化曲線求得極化電站Rp以及陰極和陽(yáng)極的極化率ba和bc，通過(guò)公式（4） 計(jì)算腐蝕電流密度：

   然后通過(guò)法拉第公式可以將腐蝕電流密度轉(zhuǎn)化為腐蝕作用所產(chǎn)生的體積損失量Vc與Vmc，公式如下：

   其中t 為腐蝕磨損的持續(xù)時(shí)間，F(xiàn) 是法拉第常數(shù)（ 96 500 C /mol） ，ρ 是TC4鈦合金的密度，M 是鈦合金的原子量，n 為TC4 鈦元素的化合價(jià)。 腐蝕對(duì)磨損的促進(jìn)量Vcm不能直接測(cè)量出來(lái)，但是可以通過(guò)公式（ 3） 計(jì)算得出。

   1. 3 試驗(yàn)條件

   本試驗(yàn)的研究材料為TC4 鈦合金，其化學(xué)成份（ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)） 為6. 25% Al，4. 21% V，0. 22% Fe，0. 19%O，0. 0073%H，Ti 余量。 TC4 鈦合金加工為環(huán)形試樣，其尺寸為外徑52 mm，內(nèi)徑38 mm，高度10 mm，其暴露在海水中的面積為11. 5 cm2 . 為了避免在試驗(yàn)過(guò)程中異種金屬接觸可能產(chǎn)生的電位干擾以及電偶腐蝕，對(duì)偶材料選用不導(dǎo)電的氧化鋁陶瓷（ 硬度為HV 1800） ，氧化鋁試樣為圓柱形，其尺寸為4. 8 m × 13 m. 試驗(yàn)中的腐蝕溶液為按照ASTMG1148 － 98 標(biāo)準(zhǔn)配置的人工海水，配置海水的pH 值用0. 1 mol /L 的NaOH 溶液調(diào)節(jié)到8. 2.鋁陶瓷對(duì)摩在不同載荷，轉(zhuǎn)速固定為100 r /min［圖2（ a） ］和不同轉(zhuǎn)速，載荷固定為50 N［圖2（ b） ］時(shí)的開(kāi)路電位－ 時(shí)間以及摩擦系數(shù)－ 時(shí)間曲線。 由圖2 可以看出： 未摩擦?xí)r，鈦合金的電位穩(wěn)定在－ 0. 22 V附近，摩擦剛一啟動(dòng)，TC4 鈦合金的開(kāi)路電位急劇下降； 摩擦過(guò)程中，開(kāi)路電位保持在低值并且有一定的波動(dòng)； 當(dāng)摩擦結(jié)束時(shí)，開(kāi)路電位開(kāi)始升高。

   在摩擦過(guò)程中，TC4 鈦合金的開(kāi)路電位隨著載荷和轉(zhuǎn)速的升高而明顯降低。 在載荷固定為50 N 時(shí)，TC4 鈦合金的摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的升高而緩慢增加； 在轉(zhuǎn)速固定為100 r /min 時(shí)，載荷不超過(guò)100 N時(shí)摩擦系數(shù)基本上不隨載荷的變化而變化，而當(dāng)超過(guò)100 N 時(shí)，摩擦系數(shù)隨著載荷的升高明顯增加。

   TC4 鈦合金在海水中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能是由于其表面存在致密的TiO2鈍化膜，但當(dāng)上下試樣腐蝕磨損試驗(yàn)在開(kāi)路電位條件下進(jìn)行，并且測(cè)量了其摩擦過(guò)程中的開(kāi)路電位變化。 為了表征摩擦作用對(duì)TC4 鈦合金腐蝕速度的影響，測(cè)量了靜態(tài)腐蝕以及摩擦過(guò)程中的極化曲線，掃描范圍為－ 1 ～1 V，掃描速率為10 mV/s，并用公式（ 4） 計(jì)算其腐蝕速度。 對(duì)TC4 鈦合金在陰極保護(hù)條件下的磨損量進(jìn)行了測(cè)量，其保護(hù)電位為－ 1 000 mV（ SCE） . 每次試驗(yàn)前后將下試樣清洗干凈，烘干并稱重，取3 次試驗(yàn)失重?cái)?shù)據(jù)的平均值換算為體積磨損量，并用JSM －5600LV 型掃描電子顯微鏡（ SEM） 觀察鈦合金試樣的磨痕表面形貌。

   2 結(jié)果與討論

   2. 1 開(kāi)路電位測(cè)量

   圖2所示為在海水環(huán)境下，TC4 鈦合金與氧化產(chǎn)生摩擦?xí)r，表面的鈍化膜受到連續(xù)的破壞，新鮮表面的產(chǎn)生促進(jìn)了鈦合金的腐蝕，從而導(dǎo)致開(kāi)路電位急劇下降，摩擦過(guò)程中的電位變化實(shí)際上是TC4 鈦合金鈍化膜破壞－ 修復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程的結(jié)果。 電位的下降是由于陽(yáng)極區(qū)域流過(guò)的電流和陰極區(qū)域流過(guò)的電流要在某一電位位置達(dá)到平衡。 在同一載荷下，轉(zhuǎn)速的增加能夠?qū)е律舷略嚇踊瑒?dòng)接觸時(shí)間間隔的縮短，從而減少了鈍化膜修復(fù)的時(shí)間，表面鈍化膜的破壞嚴(yán)重，所以轉(zhuǎn)速的增加使得開(kāi)路電位下降的幅度增大。 在同一轉(zhuǎn)速下，隨著載荷的增加導(dǎo)致上下試樣接觸面塑性變形變得嚴(yán)重，從而增加了鈍化膜破壞的程度，所以載荷的增加同樣使得開(kāi)路電位下降的幅度增大。

   2. 2 極化曲線測(cè)量

   在海水環(huán)境下，TC4 鈦合金在靜態(tài)以及摩擦過(guò)程中（ 100 N，200 r /min） 的極化曲線如圖3 所示。 從圖3 中可以看出： 摩擦作用使得TC4 鈦合金的自腐蝕電位負(fù)移，腐蝕傾向加大。 在靜態(tài)以及摩擦過(guò)程中TC4 鈦合金均具有明顯的鈍化現(xiàn)象，表明TC4 鈦合金在海水下鈍化能力極強(qiáng)，在磨損過(guò)程中由于鈍化膜的破壞而產(chǎn)生的新鮮表面能迅速?gòu)?fù)原。 摩擦作用明顯增加了鈦合金的腐蝕電流密度，摩擦對(duì)腐蝕的促進(jìn)作用非常顯著。 通過(guò)公式（ 4） 對(duì)靜態(tài)以及摩擦過(guò)程中的極化曲線處理求得的腐蝕電流密度icorr以及腐蝕電位Ecorr如表1 所示。 由表1 可知靜態(tài)腐蝕中TC4 鈦合金的電流密度僅為2. 97 μA/cm2，表明靜態(tài)下TC4 鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，而在摩擦過(guò)程中TC4 鈦合金的腐蝕電流密度為2. 44 ～3. 17 mA/cm2 ，提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)，并且隨著摩擦作用的增強(qiáng)（ 載荷和轉(zhuǎn)速的增加） ，腐蝕電流密度緩慢增加。 這表明摩擦作用明顯提高了TC4 鈦合金的腐蝕速度，腐蝕磨損之間存在明顯的交互作用。

   2. 3 腐蝕磨損交互作用

   通過(guò)上述相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法得到腐蝕磨損過(guò)程中VT、Vc、Vcm以及Vmc的結(jié)果，然后根據(jù)定量計(jì)算公式，計(jì)算出腐蝕磨損過(guò)程中的各個(gè)組份分量，進(jìn)而得出各分量所占的比例，由于TC4 鈦合金在海水中靜態(tài)下的腐蝕速度非常小，Vc可以忽略不計(jì)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表2. 從表2 中可以看出，腐蝕磨損交互作用量占總腐蝕磨損量的比例ΔV /V 為10. 2% ～34. 1%，這說(shuō)明在本試驗(yàn)工況條件下TC4 鈦合金的損耗10. 2% ～ 34. 1% 是由于海水的腐蝕磨損交互作用造成的，從而表明在海水環(huán)境下TC4 鈦合金的腐蝕與磨損的交互作用不可忽視。 純磨損量占總腐蝕磨損量的比例為65. 9% ～ 89. 8%，這說(shuō)明在腐蝕磨損過(guò)程中磨損作用明顯大于腐蝕作用，表明力學(xué)因素是造成腐蝕磨損失重的主要因素。 另外，隨著摩擦作用的增強(qiáng)（ 載荷和轉(zhuǎn)速的增加） ，交互作用量減小，這表明腐蝕磨損交互作用在低載荷低轉(zhuǎn)速下尤其明顯。

   圖4 顯示了腐蝕磨損過(guò)程中各分量組成部分以及所占的比例。 從圖4 中可以看出： 雖然摩擦極大地提高了TC4 鈦合金的腐蝕速度，但是摩擦對(duì)腐蝕的促進(jìn)作用Vmc占總腐蝕磨損的比例Vmc /V 僅有3. 1% ～ 12. 2%，并且隨著摩擦作用的增強(qiáng)而減小。腐蝕對(duì)磨損同樣產(chǎn)生了明顯地促進(jìn)作用，其促進(jìn)量占總腐蝕磨損的比例Vcm /V 為7. 1% ～ 21. 9%，這說(shuō)明腐蝕介質(zhì)促進(jìn)了TC4 鈦合金的脫落，同樣Vcm /V隨著摩擦作用的增強(qiáng)而減小。

   磨損對(duì)腐蝕的促進(jìn)作用可以歸結(jié)為： 摩擦作用使得TC4 鈦合金表面產(chǎn)生塑性變形，并導(dǎo)致局部變形區(qū)域位錯(cuò)、空位、晶面等缺陷的密度急劇增大，殘留內(nèi)應(yīng)力聚集，該區(qū)域具有高的腐蝕活性，形成微觀“應(yīng)變差異電池”，同時(shí)摩擦過(guò)程中的攪拌作用促進(jìn)了陰極反應(yīng)過(guò)程，促進(jìn)腐蝕的進(jìn)行，在摩擦表面產(chǎn)生了局部小孔腐蝕，使得摩擦過(guò)程中的腐蝕電流急劇增大。 圖5（ a） 中清晰可見(jiàn)TC4 鈦合金磨痕表面的腐蝕坑。 腐蝕對(duì)磨損的促進(jìn)作用歸結(jié)如下： 腐蝕磨損過(guò)程中磨屑的產(chǎn)生可視為低周疲勞脫落過(guò)程，疲勞過(guò)程導(dǎo)致磨痕表面形成裂紋［圖5（ b） ］，裂紋端附近的位錯(cuò)和空位等缺陷導(dǎo)致裂紋處具有高的腐蝕活性，海水的腐蝕作用加速了裂紋的擴(kuò)展和繁殖，從而加速了鈦合金磨屑的脫落。

   3 結(jié)論

   a. 在人工海水中TC4 鈦合金腐蝕磨損時(shí)開(kāi)路電位降低，腐蝕電流密度大幅增加。

   b. 在本試驗(yàn)工況條件下，腐蝕磨損交互作用量占總腐蝕磨損量的比例ΔV /V 為10. 2% ～34. 1%，腐蝕磨損交互作用不可忽視。

   c. 摩擦對(duì)腐蝕的促進(jìn)作用Vmc占總腐蝕磨損的比例Vmc /V 僅有3. 1% ～ 12. 2%，并且隨著摩擦作用的增強(qiáng)而減小。 腐蝕對(duì)磨損也產(chǎn)生了明顯地促進(jìn)作用，其促進(jìn)量占總腐蝕磨損量的比例Vcm /V 為7. 1% ～ 21. 9%，同樣隨著摩擦作用的增強(qiáng)而減小。

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