3.1.6 原位合成TiN增强Ni/Ti合金熔覆层滚动接触疲劳性能
现代工业中许多机械装置的零部件，例如凸轮、齿轮等，在服役的过程中均会承受交变载荷的作用。接触疲劳失效是凸轮、齿轮、曲轴等零部件在交变载荷下的主要失效模式，是材料产生的局部永久性损伤积累导致的。由于损伤累积过程的隐蔽性，机械零件常会发生突然失效，造成严重损失。
为了改善零件表面性能，在零部件表面制备一定厚度的涂层可以显著提高零件表面的耐磨性和接触疲劳性能。与其他表面处理方式相比，由于等离子熔覆技术得到的涂层具有熔覆层厚、与基体形成冶金结合、基体不需要前处理、效率高、成本低、涂层质量好等优点，广泛应用于制备各种涂层。然而，由于熔覆层材料的材料体系和加工过程与基体不同，涂层与基体之间的力学性能不能完全匹配是不可避免的，从而导致了其疲劳性能与整体材料不同。因此需要对等离子熔覆层在交变接触载荷下的失效机制和寿命规律进行研究，为涂层的应用提供可靠性分析。
按照失效区域不同，将涂层的接触疲劳失效主要分为两类：由涂层内剪切应力导致的亚表面失效和由表面粗糙度、润滑状态和表面微磨损导致的近表面失效。亚表面失效形式主要包括涂层内剪切应力和正交应力导致的剥落和分层失效，近表面失效主要包括由表面接触引起的磨损失效。
研究不同载荷下的熔覆层滚动接触疲劳失效机制时，采用威布尔（Weibull）模型对涂层的接触疲劳进行预测，建立不同载荷下的涂层接触疲劳寿命和接触载荷之间的关系，旨在为涂层的服役提供失效预警。
3.1.6.1 滚动接触疲劳试验方法
采用双辊子线RM-1型接触疲劳试验机进行试验，试验机实物如图3.19所示。RM-1型接触疲劳试验机具有两个独立控制的伺服电机确保滚动接触疲劳试验机处于滚动状态，液压加载系统可以实现不同接触应力的加载。试验机具有声发射自动监控系统，当涂层表面失效声发射计数超过其设定的失效阈值时，机器具有自停功能。测试辊和标准辊呈线接触模式，两个辊子所在电机的速度为1000r/min，加载载荷为1000N、2000N、3000N三种。
图3.19 接触疲劳试验机（a），标准辊（b）和测试辊（c）
在三种载荷下的接触疲劳试验中，采用试验机中自带的声发射自停装置来判断熔覆层是否失效。涂层在不同载荷下的最大接触应力采用赫兹（Hertz）接触模型来进行计算。在不同载荷下，接触疲劳试验采用的固定转速为1000r/min。接触疲劳试验在每个载荷下至少进行10组，去除试验数据的奇异点，保证每个载荷下具有10组有效数据。
测试辊是在FV520B不锈钢上采用等离子熔覆技术制备的TiN增强Ni/Ti合金熔覆层，标准辊材质为调质处理后的AISI 52100钢。标准辊和测试辊表面均经磨削处理，磨削后的标准辊和测试辊如图3.19（b）、（c）所示。测试辊和标准辊材料的显微硬度、弹性模量、泊松比参数如表3.8所示。
表3.8 测试辊表面熔覆层和标准辊AISI 52100钢的性能参数
3.1.6.2 加载受力模型
新型RM-1接触疲劳多功能试验机采用对辊式接触，测试辊和标准辊的具体尺寸如图3.20所示。采用旋转电机把等离子熔覆层熔覆在测试辊表面，为了避免边缘效应造成熔覆层在试验过程中的失效，测试辊的熔覆层位置两边均倒角0.5mm，标准辊与测试辊的线接触长度为5mm。为了确定三种载荷下接触应力的大小，基于Hertz接触模型的应力计算式（3.3），对线接触下三种载荷的最大应力进行计算。
图3.20 标准辊与测试辊尺寸图
（3.3）
式中，σmax为最大接触应力；F为施加于样品上的载荷（三种载荷分别为1000N、2000N、3000N）；ν1为测试辊的泊松比（取0.25，由前述的纳米压痕测出）；ν2为标准辊的泊松比（取0.3）；E1为测试辊的弹性模量；E2为标准辊的弹性模量（取219GPa）；L为辊子线接触长度（为5mm）；∑ρ为测试辊与标准辊接触处的主曲率之和。
（1）E1的测定
等离子熔覆层的弹性模量E1由纳米压痕仪测定，经过纳米压痕测得熔覆层的弹性模量为260GPa，代入真实弹性模量计算公式（式3.4）：
（3.4）
式中，Er为等效弹性模量；Es为被测材料的弹性模量；Ei为金刚石压头的弹性模量（取1141GPa）；νs为被测材料的泊松比（取0.25）；νi为金刚石压头的泊松比（取0.07）。
计算可得熔覆层的弹性模量为315GPa。
（2）∑ρ的计算
∑ρ由式（3.5）计算
（3.5）
式中，R11为测试辊垂直于滚动方向的曲率半径（取+∞）；R12为测试辊沿滚动方向的曲率半径（取30mm）；R21为标准辊垂直于滚动方向的曲率半径（取+∞）；R22为标准辊沿滚动方向的曲率半径（取30mm）。
计算可得∑ρ为1/15mm-1。
将E1和∑ρ代入式（3.3），可将公式简化为式（3.6）：
（3.6）
当试验机施加载荷F为1000N、2000N、3000N时，可得三种载荷下的接触应力，结果如表3.9所示。
表3.9 三种载荷下的最大接触应力值
根据Hertz接触模型，当两个圆柱体线接触时，表面接触应力产生的最大剪切应力深度和Hertz接触模型接触椭圆的接触半宽b有关。根据Hertz模型公式，当上下接触都为椭圆时，接触半宽b的计算公式为：
（3.7）
式中，R1和R2分别为上下两个接触椭圆的半径；Er为前面计算的等效弹性模量；P为加载载荷。可以计算出三种载荷下的b值，如表3.10所示。根据经验公式计算，最大剪切应力深度一般在Hertz接触模型的0.78b处[99]。
表3.10 不同加载载荷下Hertz模型最小轴b值和最大剪切应力深度值
3.1.6.3 接触疲劳失效模式
等离子熔覆层在不同载荷下的主要失效模式包括磨损、点蚀和剥落三种形式。失效模式的统计结果如表3.11和图3.21所示。
表3.11 三种载荷下熔覆层失效模式统计
图3.21 三种加载载荷下接触疲劳失效统计图
（a）0.77GPa；（b）1.09GPa；（c）1.34GPa
可以看出，在较低载荷下（1000N），涂层的接触疲劳失效模式主要为点蚀失效；随着载荷的增大（2000N），涂层的失效模式主要为磨损失效；在最大载荷下（3000N），涂层的失效模式主要为剥落失效。
（1）1000N加载下的失效模式和失效机理
点蚀失效（fatigue pitting）是一种典型的接触疲劳失效形式，一般情况下，是材料在较低的应力下经过长期反复累积形成的，如表3.11所示。熔覆层在载荷为1000N，接触应力为0.77GPa时主要的失效模式为点蚀失效。点蚀失效的主要表现形式为在磨损痕迹内出现大量的点蚀坑，如图3.22（a）所示，点蚀坑的大小为几十微米到几百微米。图3.22（b）为点蚀失效的三维形貌图，由三维形貌图可以看出，点蚀坑具有一定的深度，每个粗糙度坑到粗糙度水平线的距离约为20～40μm，由此可以判断点蚀坑的深度为20～40μm。根据表3.10和表3.11所示，在0.77GPa下，熔覆层内最大剪切应力的深度为60.5μm，可以看出，点蚀坑的失效深度远小于最大剪切应力深度，属于近表面失效，推测主要是由近表面的表面粗糙度和磨损引起的失效。
图3.22 1000N加载下接触点蚀失效形貌图（a）和三维形貌图（b）
点蚀失效的主要原因是在接触疲劳试验过程中由于粗糙接触表面的微凸体与标准辊接触，微凸体在接触应力下产生塑性变形，并在接触区域形成黏着磨损而产生大的剪切应力，在大的剪切应力下，微凸体被剪切掉。被剪切掉的微凸体在润滑油的作用下，相当于磨粒、熔覆层、标准辊在接触区域形成了三体磨损。熔覆层在磨粒、标准辊的循环作用下发生疲劳剥落，形成了原始的点蚀坑。随着接触疲劳试验的进行，最初形成的点蚀坑周围的粒子在循环应力的作用下逐渐脱落，较多的点蚀坑连接在一起，从而形成大的点蚀坑，导致熔覆层点蚀失效的发生。
（2）2000N加载下的失效模式和失效机理
表面磨损失效（surface abrasion）是材料接触疲劳的主要失效模式之一。从表3.11统计结果可以看出熔覆层的磨损失效主要是在2000N（1.09GPa）下发生的。从图3.23（a）和（b）表面磨损的表面形貌和三维形貌图，可以看出磨损失效区域为浅滩状磨损坑，磨损坑较浅并相互连通，在浅滩状磨损坑周围可以看到块状磨屑。从宏观上可以看到磨损坑的深度和点蚀基本一致，是由许多小的点蚀坑连接而成。表面磨损失效磨损坑的深度为50μm左右，而在1.09GPa下，熔覆层内最大剪切应力深度为85.52μm，可以看出磨损坑的深度小于最大剪切应力深度，主要为近表面失效。
图3.23 2000N加载下接触磨损表面形貌图（a）和三维形貌图（b）
由此可以推断，磨损失效的主要失效机理为：在接触疲劳试验过程中，试验辊表面经磨削后仍有一定的粗糙度，在试验过程中，试验辊和标准辊在接触应力的循环作用下，在接触区域产生了剪切应力；剪切应力使涂层表面粗糙的凸起部分被剪切掉，在涂层内原位生成的TiN陶瓷颗粒充当了硬质颗粒的角色，在被剪切应力剪切掉后在接触区域内形成了磨粒磨损；TiN硬质颗粒剥落，在接触区域内，硬质颗粒相比涂层具有较高的硬度和强度，在接触应力的作用下，使涂层表面产生小的点蚀坑，随着试验的进行，点蚀坑相互连接形成大的浅滩状的磨损坑，导致磨损失效。
（3）3000N加载下的失效模式和失效机理
剥落失效（spalling）是材料在亚表面下的一种主要接触疲劳失效模式。从表3.11可以看出，在1.34GPa载荷下，涂层的主要接触疲劳失效形式为剥落失效。图3.24（a）和（b）为熔覆层的接触疲劳失效形貌图和三维形貌图。从图中可以看出剥落坑近似为圆形，许多剥落坑连接到一起组成了大的剥落失效区域。剥落坑直径大小不同，约为150～500μm。剥落坑的深度为80μm左右，根据表3.9和表3.10可以看出，在1.34GPa下，熔覆层内最大剪切应力的深度为104.75μm，剥落坑深度小于最大剪切应力深度，这和Zhang等[100]对于剥落失效和最大剪切应力深度的分析结果较一致。
图3.24 3000N加载下接触剥落失效形貌图（a）和三维形貌图（b）
剥落失效的机制比较复杂，Zhang等[100]认为试验过程中在涂层近表面产生了裂纹，随着试验的进行裂纹扩展到涂层表面，多个裂纹的连接导致了涂层浅层材料的脱落，从而导致了剥落失效。康嘉杰[101]在对涂层的剥落失效机制进行分析时，运用有限元分析了剥落失效深度和涂层内最大剪切应力的关系。结果表明，涂层剥落失效的诱因不是涂层内的最大剪切应力，而是涂层内交变接触应力产生的微应力。涂层剥落坑的深度为80μm左右，根据经验公式，涂层内最大剪切应力的深度一般为0.78b，b是Herzt接触模型的接触半宽，根据前面的接触模型模拟，剥落坑的深度小于剪切应力的深度。由此可以推断，在3000N（1.34GPa）接触应力下，涂层表面产生大的接触应力和应力集中，在滚动接触过程中，近表面产生塑性变形，涂层近表面内的TiN陶瓷颗粒在大的接触应力下产生应力集中，形成初始的裂纹。随着试验的进行，初始裂纹源逐渐累积而在近表面产生了初始微裂纹，初始微裂纹随机扩展，当近表面微裂纹扩展连接到一起后，导致涂层近表面材料的去除，形成了表面的剥落坑。