鋯(Zr)及其合金具有比強度高、密度小、吸收熱中子面積小、熱膨脹系數(shù)小和耐腐蝕性能良好等優(yōu)點，已被應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)和航海等特殊領(lǐng)域［1－2］。由于航空、航天等服役環(huán)境非常復(fù)雜，作為結(jié)構(gòu)件使用的鋯合金容易發(fā)生磨粒磨損，甚至嚴(yán)重塑性變形。為此，眾多研究者在如何提高鋯合金的耐磨性能以滿足結(jié)構(gòu)件長期服役要求方面開展了大量的研究，并取得了諸多卓有成效的結(jié)果。本文簡要概述了鋯合金耐磨性能的研究進展，對鋯合金的摩擦磨損機制、影響因素和摩擦磨損性能的優(yōu)化方法進行闡述和總結(jié)，為鋯合金耐磨性能的研究提供基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

1、鋯合金的摩擦磨損機制及其影響因素

磨損是金屬或合金的主要失效形式，通常將磨損機制劃分為磨粒磨損、黏著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和微動磨損等。一般而言，表面硬度可體現(xiàn)耐磨粒磨損性能的強弱，當(dāng)摩擦副表面壓力較大時易發(fā)生黏著磨損，而長期處于載荷循環(huán)或腐蝕介質(zhì)等環(huán)境下可產(chǎn)生疲勞磨損或腐蝕磨損。鋯合金的摩擦磨損機制主要分為:粘著磨損、磨粒磨損、分層磨損和疲勞磨損［3－5］。在摩擦運動過程中，由于鋯合金的高塑性在相互的摩擦力作用下發(fā)生輕微的粘著磨損和磨粒磨損;隨著載荷的增加，合金會由粘著磨損和磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱幽p;由于表面斷裂、大量的摩擦熱的產(chǎn)生和尖銳的磨損碎片，合金由分層磨損發(fā)生脫層現(xiàn)象，即最后轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p。合金的工作環(huán)境和條件不同，其產(chǎn)生的磨損機制也不同，一般情況下，合金在長時間服役過程中會伴隨著多種磨損形式的發(fā)生［6－7］。

載荷、速度和溫度等因素均會影響鋯合金的摩擦磨損行為。H.Zhong等［8］研究發(fā)現(xiàn)，在0.39～1.17m/s的滑動速度轉(zhuǎn)變條件下，ZrTiAlV合金的摩擦系數(shù)會先增加后減小;而隨著載荷的增加，其摩擦系數(shù)會逐漸降低，磨損機制由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱幽p和嚴(yán)重塑性變形。H.Zhong等［9］研究了溫度對鋯合金的摩擦磨損性能的影響，研究結(jié)果表明，鋯合金的磨損率會隨環(huán)境溫度的升高而增加，主要磨損機制由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p;還發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高環(huán)境溫度，會使合金表面形成摩擦氧化層，從而對合金起到保護作用。K.Miyoshi［10］研究表明，當(dāng)兩個光滑、原子級潔凈的固體表面在一定載荷作用下相互接觸時，兩個表面的原子會在某個點相互接觸，產(chǎn)生原子間作用力并在這些接觸點造成粘著作用。在真空環(huán)境下，原子級潔凈的表面相互接觸時會產(chǎn)生非常強的粘著力，導(dǎo)致摩擦力和摩擦系數(shù)急劇上升。

王文強［11］研究了ZrTiAlV合金經(jīng)過時效處理后對摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)ZrTiAlV合金在真空條件下的磨損量遠(yuǎn)低于室溫大氣下的磨損量，在室溫大氣下的磨損機制均為磨粒磨損，而在真空下的磨損機制為粘著磨損。

2、鋯合金摩擦磨損性能的優(yōu)化方法

2.1表面處理

近年來，激光熔覆、高溫氧化以及噴丸等表面處理工藝常用于提高金屬材料的表面性能。研究結(jié)果表明，通過激光表面處理的Zr-4合金可在表面形成板條狀淬火馬氏體組織，進而提高了合金表面硬度和耐磨性［12］。X.Y.Ai等［13］開發(fā)了一種雙層輝光等離子體冶金無氫滲氮方法，可在ZrTiAlV合金表面形成一層由TiN相、Ti2N相和ZrN相組成的均勻致密的滲氮層，其厚度約為580μm，從而使合金表面硬度和耐磨性得到了大幅度提高。曾奇鋒等［14］利用噴丸和微弧氧化對Zr-Sn-Nb合金管材進行表面改性，結(jié)果表明，經(jīng)噴丸處理后的合金表面會形成一層均勻的強化層，而經(jīng)過微弧氧化處理后合金表面可生成一層厚度約為3.4μm的致密陶瓷型ZrO膜，使得Zr-Sn-Nb合金的表面硬度分別提高了15%和60%，磨損體積分別降低了6%和65%。W.F.Cui等［15］對ZrTi合金在空氣中進行500℃×2h的熱氧化處理后，發(fā)現(xiàn)熱氧化的ZrTi合金比未熱氧化的樣品更具抗磨性，摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了30%和90%。

2.2合金化

合金化是材料提升耐磨性的方式之一，鋯合金中常加入Al、Fe、Ti、Mo、V、Nb等固溶元素或B、C、O等微合金元素來提高基體的耐摩擦磨損性能。例如，V.Bhardwaj等［16］通過電弧熔煉技術(shù)制備了一系列加入不同Al含量的AlxZrTiNbHf合金(摩爾比x=0，0.25，0.50，0.75，1)，發(fā)現(xiàn)添加Al元素會使合金產(chǎn)生氧化物碎屑的積累以及形成高硬度摩擦層，減少了表面之間的磨損。Al含量(摩爾比)由0增加到1時，合金的摩擦系數(shù)由0.61降低至0.58，平均磨損體積損失由0.065mm3降低至0.044mm3，合金的耐磨性有所提高，其磨損機制是氧化磨損，如圖1所示。Q.Zhou等［17］通過在Zr-Cu-Ni-Al合金中添加Fe元素，形成分離氧化層誘導(dǎo)相進而提高耐磨性，添加Fe元素的鋯合金由于其均勻變形和耐損傷而獲得高耐磨性。此外，未添加Fe的鋯合金表面形成微量的摩擦氧化物顆粒;而添加5ω%Fe的磨損表面有大量的摩擦氧化物斑塊，其磨損機制由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p，可以形成具有減磨能力的連續(xù)化學(xué)摩擦層。摩擦氧化層在相分離的BMG中出現(xiàn)并發(fā)揮作用，導(dǎo)致COF降低和良好的磨損性能。

S.Tkachenko等［18］通過添加Si元素在鋯合金表面獲得過渡層，得到了摩擦系數(shù)較小且摩擦性能穩(wěn)定的含硅鋯合金。其中，Ti-6Si-5Zr合金具有最低的磨損、最穩(wěn)定的摩擦以及最低的摩擦系數(shù)(約為0.1)，其磨損率是商用Ti-6Al-4V合金的1/2～1/7，磨損表面的SEM分析表明，其磨損機制以磨料磨損為主，該合金中的硅化物顆粒有助于提高耐磨性，這是由轉(zhuǎn)移過程造成的，轉(zhuǎn)移過程將最初光滑的球轉(zhuǎn)變?yōu)榇植诘哪チ媳砻妗?/p>

2.3熱處理

與其他工藝相比，熱處理一般不改變材料形狀和整體化學(xué)成分，而是通過改變內(nèi)部顯微組織或表面化學(xué)成分，以賦予材料更優(yōu)的使用性能。鋯合金通過熱處理工藝可實現(xiàn)具有不同晶格類型的α相、β相比例以及晶粒尺寸的有效調(diào)控，進而改善鋯合金的耐摩擦磨損性能。劉冉等［19］研究了固溶+時效態(tài)的鋯合金，發(fā)現(xiàn)時效強化相的析出可促使基體耐磨性能得到提高。S.X.Liang等［20］采用退火熱處理工藝對ZrTiAlV合金的性能進行優(yōu)化，研究了不同退火工藝下Ti-20Zr-6.5Al-4V(TZ20)合金的摩擦系數(shù)、重量損失、比磨損率和磨損機理，發(fā)現(xiàn)退火后合金具有良好的大氣耐磨性。胡東東［21］的研究結(jié)果表明，具有β單相組織的800℃正火態(tài)和900℃淬火態(tài)47Zr45Ti5Al3V合金具有較優(yōu)異的耐磨性能，磨損機制主要以磨粒磨損和粘著磨損為主，如圖2所示。

這是由于單相組織塑性好，且單相組織不利于疲勞磨損過程中的裂紋形核，有效緩解了合金的剝層磨損，使得合金的耐磨性得到明顯提高。梁松等［22］研究了熱處理對57Zr-5Nb-15.4Cu-12.6Ni-10Al(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg=673K，晶化溫度Tx=733K)塊體非晶合金硬度及摩擦磨損性能影響，發(fā)現(xiàn)鋯合金的耐磨性能優(yōu)于部分晶化與完全晶化的合金，且當(dāng)退火溫度低于并接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，其耐磨性能最好。

3、總結(jié)與展望

本文簡要介紹了摩擦試驗的滑動速度、載荷及溫度對鋯合金摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高環(huán)境溫度可對鋯合金起到保護作用;概括了表面處理、合金化以及熱處理等在改善鋯合金耐磨性能的研究成果。目前，就如何提高鋯合金的耐磨性已經(jīng)取得許多研究成果，但研究工作還不夠深入，對其摩擦磨損行為和失效機理還不甚清楚，亟待進一步研究;而且對抗耐磨性鋯合金的制備工藝和增強鋯合金耐磨性的機理還滯留在理論基礎(chǔ)研究，并未投入到實際應(yīng)用中。還需進一步深入研究鋯合金的摩擦磨損特性，總結(jié)鋯合金磨損和失效的規(guī)律，以充實和豐富鋯合金耐磨性的基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］ 李佩志，田振業(yè)，石玉峰． 鋯及鋯合金的現(xiàn)狀和發(fā)展［J］．稀有金屬材料與工程，1984(1):65 －82．

［2］ 馮志浩，夏超群，張新宇，等． 高強韌鋯合金的發(fā)展與應(yīng)用［J］． 材料科學(xué)與工藝，2018，26(2):1 －8．

［3］ 陳偉榮，王英敏，羌建兵，等． Zr 基大塊非晶合金的摩擦磨損性能［J］． 摩擦學(xué)學(xué)報，2003，23(1):14 －17．

［4］ Yang L Q，Zhong H，Lv G，et al． Dry sliding behavior of a TiZr-based alloy under air and vacuum conditions［J］．Journal of Materials Engineering and Performance，2019，28(6):3402 －3412．

［5］ 高雯． 鋯合金包殼和 GH4169 鎳基合金的微動摩擦磨損性能研究［J］． 核動力工程，2020，41(4):85 －90．

［6］ Liang S X，Yin L X，Zheng L Y，et al． Tribological behavior and wear mechanism of TZ20 titanium alloy after various treatments［J］． Journal of Materials Engineering ＆Performance，2018，27(9):4645 －4654．

［7］ 徐松． 淺談金屬材料摩擦磨損的影響因素［J］． 中國高新技術(shù)企業(yè)，2010(6): 187 －188．

［8］ Zhong H，Dai L Y，Yang Y J，et al． Vacuum tribological properties of Ti-20Zr-6． 5Al-4V alloy as Influenced by sliding velocities［J］． Metallurgical and Materials Transac-tions A，2017，48A(11):5678 －5687．

［9］ Zhong H，Yang L Q，Yue Y，et al． Investigation on the unlubricated sliding tribological properties of Ti-20Zr-6．5Al-4V alloy at elevated temperatures［J］． Metals and Ma-terials International ，2020，26(12):1766 －1778．

［10］ Miyoshi K． Considerations in vacuum tribology (adhesion，friction，wear and solid lubrication in vacuum)［J］．Tribology International，1999，32(11): 605 －616．

［11］ 王文強． Zr702 和 ZrTiAlV 合金低溫力學(xué)行為［D］． 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013．

［12］ 趙雅琳，劉建章． 激光表面處理對 Zr-4 合金板材癤狀腐蝕的影響［J］． 稀有金屬材料與工程，1996，25(4):46 －48．

［13］ Ai X Y，Lin H L，Zhang B，et al． Hydrogen-free nitriding of ZrTiAlV by double glow plasma discharge improving the wear resistance［J］． Materials Science and Technology，2018，34(11/12):1303 －1308．

［14］ 曾奇鋒，陳芙梁，陳磊，等． 表面處理對 Zr-Sn-Nb 合金耐磨損和耐腐蝕性能的影響［J］． 腐蝕與防護，2020，41(9):27 －31，38．

［15］ Cui W F，Shao C J． The improved corrosion resistance and anti-wear performance of Zr-xTi alloys by thermal oxidation treatment［J］． Surface and Coatings Technology，2015，283:101 －107．

［16］ Bhardwaj V，Zhou Q，Zhang F，et al． Effect of Al addition on the microstructure，mechanical and wear properties of TiZrNbHf refractory high entropy alloys［J］． Tribology International，2021，160:107031．

［17］ Zhou Q，Han W C，Luo D W，et al． Mechanicaland tribo-logical properties of Zr-Cu-Ni-Al bulk metallic glasses with dual-phase structure［J］． Wear，2021，474 －475:203880．

［18］ Tkachenko S，Datskevich O，Kulak L，et al． Wear and friction properties of experimental Ti-Si-Zr alloys for biomedical applications［J］． Journal of Mechanical Behav-ior of Biomedical Materials，2014，39:61 －72．

［19］ 劉冉，王傳婷，高苑，等． 時效溫度對 Ti-29Nb-13Ta-4．6Zr合金組織及摩擦磨損性能的影響［J］． 金屬熱處理，2020，45(4):124 －127．

［20］ Liang S X ，Yin L X ，Zheng L Y ，et al ． Tribological Behavior and Wear Mechanism of TZ20Titanium Alloy Af-ter Various Treatments［J］． JMEPEG，2018(27):4645 －4654．

［21］ 胡東東． 熱處理對 ZrTiAlV 合金摩擦磨損行為的影響［D］． 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015．

［22］ 梁松，褚武揚，喬利杰． 大塊非晶硬度、磨損及摩擦的SPM 研究［A］． 第十一屆全國疲勞和斷裂學(xué)術(shù)會議［C］． 2002:197 －199．