退火温度对激光粉末床熔融Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金微观结构与干滑动磨损行为的影响机制研究

　　本文系统研究了不同退火温度（600°C、875°C、950°C）对激光粉末床熔融（PBF-LB）成形Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti6246）合金微观结构演变及干滑动摩擦学性能的影响。研究发现低于β相变点（HT875）的退火处理可显著提升耐磨性（磨损体积降低59%），其优异性能归因于微观结构粗化带来的高延性促进了致密机械混合层（MML）的形成，以及摩擦诱导应变硬化效应带来的高承载能力。该研究为高性能钛合金在航空航天、生物医疗等领域的耐磨部件设计提供了重要理论依据。

　　

2 实验方法

研究采用气雾化Ti6246合金粉末，通过PBF-LB技术制备试样，具体工艺参数包括：激光功率190W，扫描速度1100mm/s，舱距100μm，层厚30μm。使用块环式摩擦磨损试验机（ASTM G-77标准）进行干滑动测试，滑动速度0.3m/s，法向载荷10N，总滑动距离1000m。对沉积态样品分别进行600°C（HT600）、875°C（HT875）和950°C（HT950）的真空退火处理，保温2小时后随炉冷却。

3 结果与分析

3.1 微观结构演变

沉积态样品呈现正交结构的α″马氏体针状组织。HT600样品形成细小的α-β层状结构并伴随Ti₃Al析出相，硬度最高（HV₃₀ 405）。HT875样品显示α相粗化和部分球化现象，形成双相层状结构，初级α片层厚度最大（0.48μm）。HT950样品因高于β相变温度（≈930-940°C），形成典型的魏氏组织。

3.2 摩擦学性能

沉积态样品表现出最差的耐磨性，磨损表面存在明显的粘着磨损区域和氧化磨损特征。HT600样品尽管硬度最高，但磨损体积比沉积态仅降低7%，其机械混合层出现严重开裂。HT875样品展现出最优异的耐磨性，磨损体积较沉积态降低59%，其表面形成致密稳定的氧化物层。所有热处理样品的稳态摩擦系数（0.42-0.45）均低于沉积态（0.51）。

3.3 磨损机制分析

通过磨损疤痕截面分析发现，所有样品表面均形成氧化层（MML），但稳定性存在显著差异。HT875样品的MML厚度适中（≈15μm）且与基体结合良好，呈现连续均匀的氧化物分布。HT600样品的MML虽厚但存在大量裂纹，氧元素扩散深度较大。EDS分析证实MML中含有来自对磨件（AISI 52100钢）的Fe、Cr元素，表明发生了材料转移。

3.4 亚表层硬化行为

显微硬度测试显示，HT875样品在磨损表层出现20%的硬度增加，表明显著的应变硬化效应。这种硬化现象与粗大的初级α片层结构密切相关，其能够通过孪生变形机制有效阻碍位错运动。相反，HT600样品表层出现7%的软化，可能与摩擦热导致析出相粗化有关。

4 讨论

研究揭示了退火温度通过调控微观结构来影响耐磨性的机制：低于β相变点的退火（HT875）促使初级α片层粗化，增强材料延性和应变硬化能力，有利于形成稳定的MML保护层。而过高温度退火（HT950）导致β相完全再结晶，削弱了应变硬化能力。直接时效处理（HT600）虽然提高硬度，但残余应力和低韧性导致MML易开裂。这种性能差异源于不同热处理条件下材料对摩擦热和塑性变形的响应特性。

5 结论

HT875退火处理（875°C/2h）为PBF-LB Ti6246合金的最佳热处理工艺，其通过形成粗化的α-β双相层状结构和促进应变硬化能力，实现了磨损体积降低59%的显著效果。该研究为增材制造钛合金在摩擦学关键部件的应用提供了重要的工艺指导。