近β型钛合金Ti5553比强度高，综合力学机能优异，但是质地较软，抗冲蚀磨损能力差，很难适应在海砂冲蚀磨损工况中的持久服役
。

强度和韧性是决定资料抗冲蚀磨损机能的沉要成分[5-9]
。等径角挤压[ECAE]工艺能够提高Ti5553钛合金的强韧性[4,10]
。本文作者通过ECAE工艺研造细晶Ti5553高强韧钛合金，选取自造叶轮式冲蚀磨损试验机对Ti5553钛合金进行海砂冲蚀仿照，结合三维概括仪、扫描电子显微镜和光学显微镜定量观察资料表表描摹
。使用动力学道理钻研了经ECAE处置后的Ti5553钛合金在海砂环境中的冲蚀演变过程和冲蚀磨损机理，以期为提高该合金的抗海砂冲蚀能力提供理论凭据
。

1、尝试部门

1.1 试样造备及表征

试样原资料为Ti5553钛合金，其各组成元素的名义质量百分数如表1所示
。通过电火花线切割工艺将原资料加工成尺寸为 9.3mm ×  9.3mm ×  90mm的长方体坯料
。保留其中的1根长方体坯料作金相分析，其余各坯料做等径角挤压处置
。

表1 Ti5553钛合金组成元素的质量分数

利用内表角均为 90 °的挤压模具，对上述长方体坯料在 850  °C环境下进行1路次等径角挤压，如图1[a]所示
。等径角挤压处置后，试样在通常箱式电阻炉内作 500  °C、40 min退火处置，以获得均匀的组织
。

别离在试样和未经挤压的坯料上拔取垂直于Y轴的表表[Y面]为冲蚀面，而后依照造作金相试件的要求进行处置，如图1[b]所示
。对冲蚀面抛光，重要是使得所有的冲蚀面光滑平坦并且占有险些一样的粗糙度，便于在统一尺度下清澈地展示冲蚀后Ti5553钛合金的表表描摹[11]
。

利用Kroll试剂，侵蚀未经挤压坯料的Y面约10 s，并用Olympus金相显微镜观察此Y面的显微组织
。

1.2 冲蚀试验道理

试样的冲蚀磨损试验是在自行设计的恒温海砂冲蚀磨损试验机中进行
。该试验机重要由脉宽调造无刷直流电机、无级调速器、试验釜、夹具、离心叶轮和恒温水浴等部件组成
。叶轮最高转速为5000 r/min[对应的浆料最高冲蚀线速度为23 m/s]，水浴最高工作温度为 80 °C，具体如图2[a～b]所示
。

试验机工作时，试样固定于圆柱形夹具内，相对于试验釜静止
。浆料通过高速旋转的离心叶轮射向试样表表，对试样进行冲蚀
。浆料速度 v由径向速度 v n 和切向速度 v t 复合而成
。按梦想情况下叶轮上浆料微元的向心加快度为 ω 2r，可推导出径向速度 v n 与切向速度 v t ：

式中： r旋转叶轮半径
； ω叶轮旋转角速度
。

由式[1]可知，合成的浆料速度 v大幼为

与叶轮径向的夹角 

该夹角不随叶轮转速而变动，如图2[c]所示
。

若试验要求扭转试样冲蚀攻角，可通过调节圆柱形夹具的角度获得
。

1.3 试样冲蚀试验及冲蚀水平评价步骤

本次冲蚀磨损试验仿照含砂海水环境[12-13]，选择溶质质量百分数为3.5%的NaCl溶液5 kg、细度为28~46目[直径约为0.6 mm]的石英砂1.2 kg作为浆料，浆料固体颗粒质量百分数为19%
。水浴温度设定为40℃，选取PID节造方式进行水温节造
。将试样的Y面对准叶轮，固定于圆柱形夹具内
。旋转夹具，使得冲蚀攻角为45°
。

按如下方式进行冲蚀磨损试验和了局评价：

a. 拔取经ECAE处置的试样与未经ECAE处置的试样各1根，别离定名为850et试样和nullet试样
。试样在冲蚀磨损试验机内冲蚀20 h，冲蚀线速度为9.2 m/s，对应的电机转速为2000 r/min
。该组试样冲蚀0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和20 h后
；⊙，用精度为0.1 mg的电子天平称量取出的试样的质量
。在冲蚀20 h后，利用清华大学摩擦学国度沉点尝试室的FEI Quanta 200 FEG扫描电子显微镜[SEM]观察试样的表表描摹特点
。

b. 拔取经ECAE处置的试样4根，在冲蚀磨损试验机内别离冲蚀1、2、4和8 h，对应的试样别离定名为e1试样、e2试样、e4试样、e8试样，设定冲蚀线速度为13.6 m/s，对应的电机转速为3000 r/min
。

对于e1试样、e2试样、e4试样和e8试样，利用Keyence三维概括仪测出冲蚀后试样冲蚀面的真实三维概括描摹，定量表征冲蚀后的表表概括，体现冲蚀磨损机理转变的细节[14]
。

2、冲蚀磨损试验了局

2.1 冲蚀功夫对冲蚀机理演变的影响

图3[a~d]别离定量地展示了经ECAE处置的试样冲蚀磨损后的三维表表概括
。

从图3[a]可看出，1 h冲蚀后e1试样表表出现连缀升沉的“山峦”和陆续凹陷的划痕，重要阐发出砂粒擦过试样表表引起的划痕危险，冲蚀磨损机理以砂粒的微切削为主
。

图3[b]显示，在2 h冲蚀后，e2试样陆续升沉的“山峦”被打断，凸起的“山峰”数起头增长，试样表表出现了冲击坑迹象，冲蚀磨损机理由微切削为主逐步向冲击挤压变形过渡
。必要指出的是，这里的冲击坑及冲击挤压仅仅是大局上展示出来的，并不愿定代表这些坑状物全数由砂粒直接撞击引起
。

冲蚀4 h后，如图3[c]所示，e4试样出现了显著的冲击坑，同时险些找不到陆续升沉的凸起“山峦”，e4试样根基实现了冲蚀机理过程的转变，即从砂粒微切削转变为砂粒冲击挤压变形
。

经过8 h冲蚀，即图3[d]，e8试样出现了较深的冲击坑
。在图3[d]中较显著的冲击坑共有6处，如箭头所示
。别离用图3[d]中的平面1-3截取这6个冲击坑，则能得到冲击坑深度的定量曲线表述，如图4[a~c]所示，每个图展示了2个冲击坑
。6个冲击坑的深度在5~7 μm左右，这批注随着冲蚀功夫的增长，冲击坑愈加显著，深度达到了10 μm的量级，冲蚀机理出现为砂粒冲击挤压变形
。

为了后续会商Ti5553钛合金的冲蚀磨损机理演变过程，通过引入冲蚀率的概想，分析在0~20 h功夫段内冲蚀率的变动趋向，从试样的宏观质量变动找出冲蚀机理演变的过程
。在本文中，试样的冲蚀率 

按如下表白式界说：

其中： mt为试样 t时刻
；⊙钡闹柿
； m0为试样未冲蚀时的质量
。

图5[a]和图5[b]别离给出了850et试样与nullet试样在冲蚀功夫为0~20 h过程中的累积失沉量与冲蚀率
。

图5[b]批注，无论对未经ECAE处置的nullet试样还是经ECAE处置的850et试样，在冲蚀磨损前期0~9 h内，试样的冲蚀率变动大，出现了显著的非线性变动趋向，nullet试样冲蚀率甚至还有高低窜动，850et试样冲蚀率则近似地展示出了多个平台
。这注明在0~9 h功夫段内，冲蚀磨损过程是不不变的[15]
。但在9 h后，经ECAE处置的850et试样的冲蚀率逐步平缓，冲蚀磨损机理已经实现了转变，趋向不变
。

2.2 Nullet试样与850et试样冲蚀水平比力

图6[a]、图6[b]别离是nullet试样、850et试样在冲蚀20 h后的SEM表表描摹图
。

在Matlab平台上假造图像处置法式，通过SEM图像的灰度值均方根[公式[3]]能够定量地比力试样的凹凸升沉水平
；通过鉴别SEM图像概括，推算概括所占面积百分比[公式4]，能够定量地比力试样的划痕与冲击坑裂纹长度
。

式中： R为SEM表表描摹图灰度值均方根
； a i 为SEM表表描摹图灰度矩阵的各个元素值
； a ˉ为SEM表表描摹图灰度矩阵各个元素的均匀值
； N为SEM表表描摹图灰度矩阵元素个数
。

式中： S为SEM表表描摹图概括天堑所占面积百分比
； ∑ p edge 为SEM表表描摹图概括天堑所占像素数
； ∑ p为SEM表表描摹图的全数像素数
。

Matlab推算了局批注：850et试样的凹凸升沉水平、划痕与冲击坑裂纹长度远幼于nullet试样，别离仅为后者的68%和38%
。这注明经过ECAE处置的850et试样抗冲蚀磨损能力远高于未经ECAE处置的nullet试样
。结合图5[b]中nullet试样冲蚀率极不不变这一事实，注明适当的ECAE工艺能够使冲蚀磨损大局转变得更为和善
。

3、冲蚀磨损机理演变的原因

Ti5553钛合金的显微组织、ECAE工艺和冲蚀攻角是决定冲蚀磨损机理演变的重要原因
。

3.1 合金显微组织的作用

凭据未经挤压坯料冲蚀面的金相图片，Ti5553钛合金的 β基体内弥散着藐幼的 α相，并且 α相散布均匀，如图7[a]所示
。

经过1路次等径角挤压后，依照文件[16]给出的推算公式：

式中： ε N 为试样等效应变
； N为等径角挤压次数
； Φ为等径角挤压通路的内角
； Ψ为等径角挤压通路的表角
。则ECAE处置的试样等效应变较大，靠近100%
。试样经过回复、再结晶过程后，晶粒藐幼且散布均匀[4,17]，相应地提高了基体的强韧性
。

由于ECAE工艺强韧化的作用，“泥土” β基体越发紧实，保障了 α相可能类似于“树桩”，相对牢固地嵌在 β基体内
。

e1试样在冲蚀攻角为 45 °、冲蚀线速度为 13.6m/s的工况下冲蚀1 h
。由于 45 °冲蚀攻角属于高角度冲蚀，砂粒的活动速度寂仔法向分量又有切向分量，二者大幼一样，砂粒同时对e1试样表表起到了微切削和冲击挤压作用
。 α相的尺寸较幼、硬度相对较高[18]，弥散在 β基体内，故在冲蚀后， α相很快露在 β基体表，形成了“树桩”[ α相]嵌在“泥土”[ β基体]中的景象，如图8示意
。

e1试样冲蚀功夫仅1 h，冲蚀粉碎水平不显著， α相露出 β基体的高度亦不大，所以 α相并未起到拦截砂粒、
；i5553基体的作用
。

当砂粒的活动速度在某一阈值以下，砂粒撞击试样表表时只会引起资料的弹性变形
。在这种情况下，能够以为资料不会失效
。只有当砂粒活动速度超过阈值，引起试样塑性变形或断裂，才会使得资料产生冲蚀失效
。此时，砂粒的动能转化为如下两部门能量，第一部门为试样弹性变形时吸收的能量，第二部门为试样在产生塑性变形直至断裂过程中吸收的能量，如公式[6]所示
。

式中： E k 为引起冲蚀粉碎的砂粒的动能
； E为Ti5553的弹性模量
； σ S 为Ti5553的屈服强度
； ε S 为Ti5553屈服时的应变
； ε k 为Ti5553断裂时的应变
； σ[ε]为Ti5553应力应变关系
； V为冲击坑体积
。

冲蚀磨损试验机电机转速一按时，一样质量的砂粒拥有一样动能 E k 
。如果砂粒在冲击试样表表过程中不产生形变，则凭据公式[7]，试样屈服强度 σ S 越高，则冲击坑体积 V越幼，即砂粒嵌入深度越低
。e1试样强韧度较高，则抵抗砂粒法向冲击的能力强，冲蚀粉碎大局重要为图3[a]所示的微切削划痕，即冲蚀机理以微切削为主
。

随着冲蚀功夫的增长， α相露出 β基体的高度起头增长，则砂粒撞击在“树桩”[ α相]的概率高
。砂粒撞击 α相时，冲击速杜仔向下的法向分量，能够将 α相越发紧实地压在 β基体内
。这时，均匀弥散的 α相起到了拦截砂粒、
；こ迨疵娴淖饔
。砂粒的切向分量直接作用于 α相，对“树桩” α相起到了推移作用，但由于“泥土” β基体的强度、韧塑性均较高，凭据公式[6]，能吸收“树桩” α相移动时的能量，故能缓冲砂粒的切向粉碎
。冲蚀撞击的切向分量被 α相抑造，资料粉碎起头转向冲击挤压变形
。

随着冲蚀功夫的进一步增长，冲蚀粉碎的法向作用，即冲击变形凸起，冲蚀磨损机理逐步转变为冲击挤压粉碎
。这是e2试样、e4试样、e8试样在冲蚀功夫增长后切削迹象削减但冲击坑增长的原因
。

由此可见，Ti5553合金中弥散的 α相反对了砂粒对冲蚀面的微切削作用，扭转了冲蚀磨损机理，更沉要的是固定 α相的“泥土” β基体占有优良的强度和韧塑性，使得“树桩” α相不易产生移动
。Ti5553合金的强度和韧塑性对于阻止冲蚀粉碎起到了
；ぷ饔
。

3.2 ECAE工艺的作用

未经ECAE处置的nullet试样晶粒粗壮，尺寸达到约0.8 mm，强度、韧塑性不及经ECAE处置的850et试样，如图7[b]所示
。

Nullet试样 β基体内固然也弥散着藐幼的 α相，但是“泥土”[ β基体]较为疏松
。凭据公式[7]，nullet试样的屈服强度 σ s 较幼，招架 α相的横向移动能力显著幼于850et试样
。

当砂粒冲击冲蚀面时，露出 β基体的 α相非但不能起到抗衡砂粒切向撞击的作用，反而还相当于插入松软的 β基体的搅拌棒，对 β基体起到了陆续搅拌粉碎的作用
。随着 α相在 β基体内愈加松垮，该 α相与周围的 β基体产生委顿粉碎的概率越高，当冲蚀功夫达到肯定水平时， α相与周围的 β基体就会从冲蚀面脱落，形成粉碎
。

砂粒撞击 α相时，由于 α相嵌在 β基体中， α相受到了力偶的作用，有在纸面内旋转的趋向，如图9所示
。

凭据作使劲与反作使劲， β基体味被 α相向上撬起
。此时，资料的强度，出格是抗拉强度、韧塑性就起到了沉要作用，如公式[7]所示
。未经ECAE处置的nullet试样的屈服强度 σ S 、韧塑性不及850et试样，在受到 α相向上撬起的作用时， β基体越发容易被拉断，造成 α相与周围的 β基体脱落
。由于 α相有旋转的趋向，所以 β基体脱离冲蚀面时，会形成所谓的伪冲击坑
。固然名义上这衷炱坏大局展示出冲击坑，但并非是直接由砂粒法向冲击试样表表形成的
。在这种情况下，冲蚀磨损机理不能单一地视为冲击挤压变形，而应是砂粒微切削、冲击挤压、 α相撬动周围 β基体共同作用的了局
。这一诠释体此刻图6中，未经ECAE处置的nullet试样展示的粉碎大局并不是单一的微切削或冲击挤压，而是在冲蚀坑左近伴随了大量划痕与裂纹
。

3.3 冲蚀磨损机理演变速度

凭据3.1和3.2节的分析，在冲蚀磨损初期，对于经过ECAE挤压的试样， β基体中弥散的 α相对试样起到了
；ぷ饔，表此刻宏观层面，试样的冲蚀率逐步减幼，这对应于图5[b]所示850et试样的冲蚀率曲线图，其颠簸水平较幼
。但是对于nullet试样， β基体中弥散的 α相加剧了资料的冲蚀粉碎，故在冲蚀磨损初期，冲蚀率有较显著的高低窜动，实现冲蚀机理转变的功夫长于850et试样
。

冲蚀线速度对于冲蚀磨损机理演变速度也有沉要的影响
。对于e1、e2、e4和e8试样，由于冲蚀线速度较高，为13.6 m/s，砂粒切削试样表表导致 α相露出 β基体的功夫大为缩短，使得试样在2~4 h内实现了冲蚀磨损机理的转变
。而对于850et试样，由于冲蚀线速度仅为9.3 m/s，经过9 h才使得冲蚀率不变，即实现了冲蚀磨损机理的转变
。

4、结论

a. 经等径角挤压处置的Ti5553钛合金，在海砂高角度冲蚀磨损初期，冲蚀磨损机理以砂粒微切削为主，之后转变为以砂粒冲击挤压变形为主，并维持不变
。

b. Ti5553钛合金在等径角挤压后，藐幼、弥散的 α相越发牢固地嵌在 β基体中
。随着冲蚀过程的进行，紧固于基体的 α相逐步露出 β基体，对砂粒起到了切向拦截作用，减缓了砂粒的微切削粉碎，使得资料的冲蚀磨损机理演变为挤压变形
。

c. 与经等径角挤压的Ti5553钛合金相比，未经等径角挤压的合金中弥散的 α相受砂粒切向撞击后搅动相对松垮的基体，加剧了资料的冲蚀粉碎
。当堆集到肯定水平， β基体受到来自 α相的力偶作用，脱离冲蚀面，形成伪冲击坑
。

d. Ti5553钛合金的强度、韧塑性是影响抗冲蚀磨损能力的沉要成分
。等径角挤压工艺使得弥散的 α相
；ち耸匝，提高资料的强度和韧塑性，有助于减幼试样的冲蚀率，并使试样更快地进入不变冲蚀磨损期
。

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（注，原文标题：等径角挤压后Ti5553钛合金的冲蚀磨损机理演变）