分別在試樣和未經(jīng)擠壓的坯料上選取垂直于Y軸的表面[Y面]為沖蝕面，然后按照制作金相試件的要求進(jìn)行處理，如圖1[b]所示。對(duì)沖蝕面拋光，主要是使得所有的沖蝕面光滑平整并且擁有幾乎相同的粗糙度，便于在同一標(biāo)準(zhǔn)下清晰地展示沖蝕后Ti5553鈦合金的表面形貌[11]。

利用Kroll試劑，腐蝕未經(jīng)擠壓坯料的Y面約10 s，并用Olympus金相顯微鏡觀察此Y面的顯微組織。

1.2 沖蝕試驗(yàn)原理

試樣的沖蝕磨損試驗(yàn)是在自行設(shè)計(jì)的恒溫海砂沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行。該試驗(yàn)機(jī)主要由脈寬調(diào)制無(wú)刷直流電機(jī)、無(wú)級(jí)調(diào)速器、試驗(yàn)釜、夾具、離心葉輪和恒溫水浴等部件組成。葉輪最高轉(zhuǎn)速為5000 r/min[對(duì)應(yīng)的漿料最高沖蝕線速度為23 m/s]，水浴最高工作溫度為 80 °C，具體如圖2[a～b]所示。

試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，試樣固定于圓柱形夾具內(nèi)，相對(duì)于試驗(yàn)釜靜止。漿料通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的離心葉輪射向試樣表面，對(duì)試樣進(jìn)行沖蝕。漿料速度 v由徑向速度 v n 和切向速度 v t 復(fù)合而成。按理想情況下葉輪上漿料微元的向心加速度為 ω 2r，可推導(dǎo)出徑向速度 v n 與切向速度 v t ：

式中： r旋轉(zhuǎn)葉輪半徑； ω葉輪旋轉(zhuǎn)角速度。

由式[1]可知，合成的漿料速度 v大小為

與葉輪徑向的夾角 

該夾角不隨葉輪轉(zhuǎn)速而變化，如圖2[c]所示。

若試驗(yàn)要求改變?cè)嚇記_蝕攻角，可通過(guò)調(diào)節(jié)圓柱形夾具的角度獲得。

1.3 試樣沖蝕試驗(yàn)及沖蝕程度評(píng)價(jià)方法

本次沖蝕磨損試驗(yàn)?zāi)M含砂海水環(huán)境[12-13]，選擇溶質(zhì)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液5 kg、細(xì)度為28~46目[直徑約為0.6 mm]的石英砂1.2 kg作為漿料，漿料固體顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為19%。水浴溫度設(shè)定為40℃，采用PID控制方式進(jìn)行水溫控制。將試樣的Y面對(duì)準(zhǔn)葉輪，固定于圓柱形夾具內(nèi)。旋轉(zhuǎn)夾具，使得沖蝕攻角為45°。

按如下方式進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)和結(jié)果評(píng)價(jià)：

a. 選取經(jīng)ECAE處理的試樣與未經(jīng)ECAE處理的試樣各1根，分別命名為850et試樣和nullet試樣。試樣在沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)內(nèi)沖蝕20 h，沖蝕線速度為9.2 m/s，對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min。該組試樣沖蝕0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和20 h后停機(jī)取樣，用精度為0.1 mg的電子天平稱(chēng)量取出的試樣的質(zhì)量。在沖蝕20 h后，利用清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的FEI Quanta 200 FEG掃描電子顯微鏡[SEM]觀察試樣的表面形貌特征。

b. 選取經(jīng)ECAE處理的試樣4根，在沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)內(nèi)分別沖蝕1、2、4和8 h，對(duì)應(yīng)的試樣分別命名為e1試樣、e2試樣、e4試樣、e8試樣，設(shè)定沖蝕線速度為13.6 m/s，對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min。

對(duì)于e1試樣、e2試樣、e4試樣和e8試樣，利用Keyence三維輪廓儀測(cè)出沖蝕后試樣沖蝕面的真實(shí)三維輪廓形貌，定量表征沖蝕后的表面輪廓，體現(xiàn)沖蝕磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變的細(xì)節(jié)[14]。

2、沖蝕磨損試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖蝕時(shí)間對(duì)沖蝕機(jī)理演變的影響

圖3[a~d]分別定量地展示了經(jīng)ECAE處理的試樣沖蝕磨損后的三維表面輪廓。

從圖3[a]可看出，1 h沖蝕后e1試樣表面呈現(xiàn)連綿起伏的“山巒”和連續(xù)凹陷的劃痕，主要表現(xiàn)出砂粒擦過(guò)試樣表面引起的劃痕損傷，沖蝕磨損機(jī)理以砂粒的微切削為主。

圖3[b]顯示，在2 h沖蝕后，e2試樣連續(xù)起伏的“山巒”被打斷，突出的“山峰”數(shù)開(kāi)始增加，試樣表面出現(xiàn)了沖擊坑跡象，沖蝕磨損機(jī)理由微切削為主逐步向沖擊擠壓變形過(guò)渡。需要指出的是，這里的沖擊坑及沖擊擠壓僅僅是形式上展現(xiàn)出來(lái)的，并不一定代表這些坑狀物全部由砂粒直接撞擊引起。

沖蝕4 h后，如圖3[c]所示，e4試樣出現(xiàn)了明顯的沖擊坑，同時(shí)幾乎找不到連續(xù)起伏的突出“山巒”，e4試樣基本完成了沖蝕機(jī)理過(guò)程的轉(zhuǎn)變，即從砂粒微切削轉(zhuǎn)變?yōu)樯傲_擊擠壓變形。

經(jīng)過(guò)8 h沖蝕，即圖3[d]，e8試樣出現(xiàn)了較深的沖擊坑。在圖3[d]中較明顯的沖擊坑共有6處，如箭頭所示。分別用圖3[d]中的平面1-3截取這6個(gè)沖擊坑，則能得到?jīng)_擊坑深度的定量曲線表述，如圖4[a~c]所示，每個(gè)圖展現(xiàn)了2個(gè)沖擊坑。6個(gè)沖擊坑的深度在5~7 μm左右，這表明隨著沖蝕時(shí)間的增加，沖擊坑愈加明顯，深度達(dá)到了10 μm的量級(jí)，沖蝕機(jī)理呈現(xiàn)為砂粒沖擊擠壓變形。

為了后續(xù)討論Ti5553鈦合金的沖蝕磨損機(jī)理演變過(guò)程，通過(guò)引入沖蝕率的概念，分析在0~20 h時(shí)間段內(nèi)沖蝕率的變化趨勢(shì)，從試樣的宏觀質(zhì)量變化找出沖蝕機(jī)理演變的歷程。在本文中，試樣的沖蝕率 

按如下表達(dá)式定義：

其中： mt為試樣 t時(shí)刻停機(jī)取樣時(shí)的質(zhì)量； m0為試樣未沖蝕時(shí)的質(zhì)量。

圖5[a]和圖5[b]分別給出了850et試樣與nullet試樣在沖蝕時(shí)間為0~20 h過(guò)程中的累積失重量與沖蝕率。

圖5[b]表明，無(wú)論對(duì)未經(jīng)ECAE處理的nullet試樣還是經(jīng)ECAE處理的850et試樣，在沖蝕磨損前期0~9 h內(nèi)，試樣的沖蝕率變化大，呈現(xiàn)了明顯的非線性變化趨勢(shì)，nullet試樣沖蝕率甚至還有上下竄動(dòng)，850et試樣沖蝕率則近似地展現(xiàn)出了多個(gè)平臺(tái)。這說(shuō)明在0~9 h時(shí)間段內(nèi)，沖蝕磨損過(guò)程是不穩(wěn)定的[15]。但在9 h后，經(jīng)ECAE處理的850et試樣的沖蝕率逐步平緩，沖蝕磨損機(jī)理已經(jīng)完成了轉(zhuǎn)變，趨向穩(wěn)定。

2.2 Nullet試樣與850et試樣沖蝕程度比較

圖6[a]、圖6[b]分別是nullet試樣、850et試樣在沖蝕20 h后的SEM表面形貌圖。

在Matlab平臺(tái)上編制圖像處理程序，通過(guò)SEM圖像的灰度值均方根[公式[3]]可以定量地比較試樣的高低起伏程度；通過(guò)識(shí)別SEM圖像輪廓，計(jì)算輪廓所占面積百分比[公式4]，可以定量地比較試樣的劃痕與沖擊坑裂紋長(zhǎng)度。

式中： R為SEM表面形貌圖灰度值均方根； a i 為SEM表面形貌圖灰度矩陣的各個(gè)元素值； a ˉ為SEM表面形貌圖灰度矩陣各個(gè)元素的平均值； N為SEM表面形貌圖灰度矩陣元素個(gè)數(shù)。

式中： S為SEM表面形貌圖輪廓邊界所占面積百分比； ∑ p edge 為SEM表面形貌圖輪廓邊界所占像素?cái)?shù)； ∑ p為SEM表面形貌圖的全部像素?cái)?shù)。

Matlab計(jì)算結(jié)果表明：850et試樣的高低起伏程度、劃痕與沖擊坑裂紋長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于nullet試樣，分別僅為后者的68%和38%。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)ECAE處理的850et試樣抗沖蝕磨損能力遠(yuǎn)高于未經(jīng)ECAE處理的nullet試樣。結(jié)合圖5[b]中nullet試樣沖蝕率極不穩(wěn)定這一事實(shí)，說(shuō)明適當(dāng)?shù)腅CAE工藝可以使沖蝕磨損形式轉(zhuǎn)變得更為平和。

3、沖蝕磨損機(jī)理演變的原因

Ti5553鈦合金的顯微組織、ECAE工藝和沖蝕攻角是決定沖蝕磨損機(jī)理演變的主要原因。

3.1 合金顯微組織的作用

根據(jù)未經(jīng)擠壓坯料沖蝕面的金相圖片，Ti5553鈦合金的 β基體內(nèi)彌散著細(xì)小的 α相，并且 α相分布均勻，如圖7[a]所示。

經(jīng)過(guò)1道次等徑角擠壓后，按照文獻(xiàn)[16]給出的計(jì)算公式：

式中： ε N 為試樣等效應(yīng)變； N為等徑角擠壓次數(shù)； Φ為等徑角擠壓通道的內(nèi)角； Ψ為等徑角擠壓通道的外角。則ECAE處理的試樣等效應(yīng)變較大，接近100%。試樣經(jīng)過(guò)回復(fù)、再結(jié)晶過(guò)程后，晶粒細(xì)小且分布均勻[4,17]，相應(yīng)地提高了基體的強(qiáng)韌性。

由于ECAE工藝強(qiáng)韌化的作用，“泥土” β基體更加緊實(shí)，保證了 α相能夠類(lèi)似于“樹(shù)樁”，相對(duì)牢固地嵌在 β基體內(nèi)。

e1試樣在沖蝕攻角為 45 °、沖蝕線速度為 13.6m/s的工況下沖蝕1 h。因?yàn)?45 °沖蝕攻角屬于高角度沖蝕，砂粒的運(yùn)動(dòng)速度既有法向分量又有切向分量，二者大小相同，砂粒同時(shí)對(duì)e1試樣表面起到了微切削和沖擊擠壓作用。 α相的尺寸較小、硬度相對(duì)較高[18]，彌散在 β基體內(nèi)，故在沖蝕后， α相很快露在 β基體外，形成了“樹(shù)樁”[ α相]嵌在“泥土”[ β基體]中的現(xiàn)象，如圖8示意。

e1試樣沖蝕時(shí)間僅1 h，沖蝕破壞程度不明顯， α相露出 β基體的高度亦不大，所以 α相并未起到攔截砂粒、保護(hù)Ti5553基體的作用。

當(dāng)砂粒的運(yùn)動(dòng)速度在某一閾值以下，砂粒撞擊試樣表面時(shí)只會(huì)引起材料的彈性變形。在這種情況下，可以認(rèn)為材料不會(huì)失效。只有當(dāng)砂粒運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)閾值，引起試樣塑性變形或斷裂，才會(huì)使得材料發(fā)生沖蝕失效。此時(shí)，砂粒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為如下兩部分能量，第一部分為試樣彈性變形時(shí)吸收的能量，第二部分為試樣在發(fā)生塑性變形直至斷裂過(guò)程中吸收的能量，如公式[6]所示。

式中： E k 為引起沖蝕破壞的砂粒的動(dòng)能； E為T(mén)i5553的彈性模量； σ S 為T(mén)i5553的屈服強(qiáng)度； ε S 為T(mén)i5553屈服時(shí)的應(yīng)變； ε k 為T(mén)i5553斷裂時(shí)的應(yīng)變； σ[ε]為T(mén)i5553應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系； V為沖擊坑體積。

沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，相同質(zhì)量的砂粒具有相同動(dòng)能 E k 。假設(shè)砂粒在沖擊試樣表面過(guò)程中不發(fā)生形變，則根據(jù)公式[7]，試樣屈服強(qiáng)度 σ S 越高，則沖擊坑體積 V越小，即砂粒嵌入深度越低。e1試樣強(qiáng)韌度較高，則抵抗砂粒法向沖擊的能力強(qiáng)，沖蝕破壞形式主要為圖3[a]所示的微切削劃痕，即沖蝕機(jī)理以微切削為主。

隨著沖蝕時(shí)間的增加， α相露出 β基體的高度開(kāi)始增加，則砂粒撞擊在“樹(shù)樁”[ α相]的概率高。砂粒撞擊 α相時(shí)，沖擊速度有向下的法向分量，可以將 α相更加緊實(shí)地壓在 β基體內(nèi)。這時(shí)，均勻彌散的 α相起到了攔截砂粒、保護(hù)沖蝕面的作用。砂粒的切向分量直接作用于 α相，對(duì)“樹(shù)樁” α相起到了推移作用，但由于“泥土” β基體的強(qiáng)度、韌塑性均較高，根據(jù)公式[6]，能吸收“樹(shù)樁” α相移動(dòng)時(shí)的能量，故能緩沖砂粒的切向破壞。沖蝕撞擊的切向分量被 α相抑制，材料破壞開(kāi)始轉(zhuǎn)向沖擊擠壓變形。

隨著沖蝕時(shí)間的進(jìn)一步增加，沖蝕破壞的法向作用，即沖擊變形突出，沖蝕磨損機(jī)理逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊擠壓破壞。這是e2試樣、e4試樣、e8試樣在沖蝕時(shí)間增加后切削跡象減少但沖擊坑增加的原因。

由此可見(jiàn)，Ti5553合金中彌散的 α相阻擋了砂粒對(duì)沖蝕面的微切削作用，改變了沖蝕磨損機(jī)理，更重要的是固定 α相的“泥土” β基體擁有良好的強(qiáng)度和韌塑性，使得“樹(shù)樁” α相不易產(chǎn)生移動(dòng)。Ti5553合金的強(qiáng)度和韌塑性對(duì)于阻止沖蝕破壞起到了保護(hù)作用。

3.2 ECAE工藝的作用

未經(jīng)ECAE處理的nullet試樣晶粒粗大，尺寸到達(dá)約0.8 mm，強(qiáng)度、韌塑性不及經(jīng)ECAE處理的850et試樣，如圖7[b]所示。

Nullet試樣 β基體內(nèi)雖然也彌散著細(xì)小的 α相，但是“泥土”[ β基體]較為松散。根據(jù)公式[7]，nullet試樣的屈服強(qiáng)度 σ s 較小，抵御 α相的橫向移動(dòng)能力明顯小于850et試樣。

當(dāng)砂粒沖擊沖蝕面時(shí)，露出 β基體的 α相非但不能起到抗衡砂粒切向撞擊的作用，反而還相當(dāng)于插入松軟的 β基體的攪拌棒，對(duì) β基體起到了連續(xù)攪拌破壞的作用。隨著 α相在 β基體內(nèi)愈加松垮，該 α相與周?chē)?β基體產(chǎn)生疲勞破壞的概率越高，當(dāng)沖蝕時(shí)間達(dá)到一定程度時(shí)， α相與周?chē)?β基體就會(huì)從沖蝕面脫落，形成破壞。

砂粒撞擊 α相時(shí)，由于 α相嵌在 β基體中， α相受到了力偶的作用，有在紙面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，如圖9所示。

根據(jù)作用力與反作用力， β基體會(huì)被 α相向上撬起。此時(shí)，材料的強(qiáng)度，特別是抗拉強(qiáng)度、韌塑性就起到了重要作用，如公式[7]所示。未經(jīng)ECAE處理的nullet試樣的屈服強(qiáng)度 σ S 、韌塑性不及850et試樣，在受到 α相向上撬起的作用時(shí)， β基體更加容易被拉斷，造成 α相與周?chē)?β基體脫落。因?yàn)?α相有旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，所以 β基體脫離沖蝕面時(shí)，會(huì)形成所謂的偽沖擊坑。雖然名義上這種破壞形式展現(xiàn)出沖擊坑，但并非是直接由砂粒法向沖擊試樣表面形成的。在這種情況下，沖蝕磨損機(jī)理不能簡(jiǎn)單地視為沖擊擠壓變形，而應(yīng)是砂粒微切削、沖擊擠壓、 α相撬動(dòng)周?chē)?β基體共同作用的結(jié)果。這一解釋體現(xiàn)在圖6中，未經(jīng)ECAE處理的nullet試樣展現(xiàn)的破壞形式并不是單一的微切削或沖擊擠壓，而是在沖蝕坑附近伴隨了大量劃痕與裂紋。

3.3 沖蝕磨損機(jī)理演變速度

根據(jù)3.1和3.2節(jié)的分析，在沖蝕磨損初期，對(duì)于經(jīng)過(guò)ECAE擠壓的試樣， β基體中彌散的 α相對(duì)試樣起到了保護(hù)作用，表現(xiàn)在宏觀層面，試樣的沖蝕率逐步減小，這對(duì)應(yīng)于圖5[b]所示850et試樣的沖蝕率曲線圖，其波動(dòng)程度較小。但是對(duì)于nullet試樣， β基體中彌散的 α相加劇了材料的沖蝕破壞，故在沖蝕磨損初期，沖蝕率有較明顯的上下竄動(dòng)，完成沖蝕機(jī)理轉(zhuǎn)變的時(shí)間長(zhǎng)于850et試樣。

沖蝕線速度對(duì)于沖蝕磨損機(jī)理演變速度也有重要的影響。對(duì)于e1、e2、e4和e8試樣，由于沖蝕線速度較高，為13.6 m/s，砂粒切削試樣表面導(dǎo)致 α相露出 β基體的時(shí)間大為縮短，使得試樣在2~4 h內(nèi)完成了沖蝕磨損機(jī)理的轉(zhuǎn)變。而對(duì)于850et試樣，由于沖蝕線速度僅為9.3 m/s，經(jīng)過(guò)9 h才使得沖蝕率穩(wěn)定，即完成了沖蝕磨損機(jī)理的轉(zhuǎn)變。

4、結(jié)論

a. 經(jīng)等徑角擠壓處理的Ti5553鈦合金，在海砂高角度沖蝕磨損初期，沖蝕磨損機(jī)理以砂粒微切削為主，之后轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨傲_擊擠壓變形為主，并保持不變。

b. Ti5553鈦合金在等徑角擠壓后，細(xì)小、彌散的 α相更加牢固地嵌在 β基體中。隨著沖蝕過(guò)程的進(jìn)行，緊固于基體的 α相逐漸露出 β基體，對(duì)砂粒起到了切向攔截作用，減緩了砂粒的微切削破壞，使得材料的沖蝕磨損機(jī)理演變?yōu)閿D壓變形。

c. 與經(jīng)等徑角擠壓的Ti5553鈦合金相比，未經(jīng)等徑角擠壓的合金中彌散的 α相受砂粒切向撞擊后攪動(dòng)相對(duì)松垮的基體，加劇了材料的沖蝕破壞。當(dāng)積累到一定程度， β基體受到來(lái)自 α相的力偶作用，脫離沖蝕面，形成偽沖擊坑。

d. Ti5553鈦合金的強(qiáng)度、韌塑性是影響抗沖蝕磨損能力的重要因素。等徑角擠壓工藝使得彌散的 α相保護(hù)了試樣基體，提高材料的強(qiáng)度和韌塑性，有助于減小試樣的沖蝕率，并使試樣更快地進(jìn)入穩(wěn)定沖蝕磨損期。

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（注，原文標(biāo)題：等徑角擠壓后Ti5553鈦合金的沖蝕磨損機(jī)理演變）