近β型钛合金Ti5553比强度高，综合力学性能优异，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长期服役。
强度和韧性是决定材料抗冲蚀磨损性能的重要因素[5-9]。等径角挤压[ECAE]工艺可以提高Ti5553钛合金的强韧性[4,10]。本文作者通过ECAE工艺研制细晶Ti5553高强韧钛合金，采用自制叶轮式冲蚀磨损试验机对Ti5553钛合金进行海砂冲蚀模拟，结合三维轮廓仪、扫描电子显微镜和光学显微镜定量观察材料表面形貌。运用动力学原理研究了经ECAE处理后的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依据。
1、实验部分
1.1 试样制备及表征
试样原材料为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材料加工成尺寸为 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理。
表1 Ti5553钛合金组成元素的质量分数
| Element | Weight Percentage |
| Aluminum | 5% |
| Molybdenum | 5% |
| Vanadium | 5% |
| Chromium | 3% |
| Zirconium | 0.65% |
| Titanium | Balance |
利用内外角均为 90 ∘的挤压模具，对上述长方体坯料在 850 ∘C环境下进行1道次等径角挤压，如图1[a]所示。等径角挤压处理后，试样在普通箱式电阻炉内作 500 ∘C、40 min退火处理，以获得均匀的组织。
分别在试样和未经挤压的坯料上选取垂直于Y轴的表面[Y面]为冲蚀面，然后按照制作金相试件的要求进行处理，如图1[b]所示。对冲蚀面抛光，主要是使得所有的冲蚀面光滑平整并且拥有几乎相同的粗糙度，便于在同一标准下清晰地展示冲蚀后Ti5553钛合金的表面形貌[11]。
利用Kroll试剂，腐蚀未经挤压坯料的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 冲蚀试验原理
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。该试验机主要由脉宽调制无刷直流电机、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面，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。按理想情况下叶轮上浆料微元的向心加速度为 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大小为
与叶轮径向的夹角
该夹角不随叶轮转速而变化，如图2[c]所示。
若试验要求改变试样冲蚀攻角，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程度评价方法
本次冲蚀磨损试验模拟含砂海水环境[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℃，采用PID控制方式进行水温控制。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结果评价：
a. 选取经ECAE处理的试样与未经ECAE处理的试样各1根，分别命名为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后停机取样，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家重点实验室的FEI Quanta 200 FEG扫描电子显微镜[SEM]观察试样的表面形貌特征。
b. 选取经ECAE处理的试样4根，在冲蚀磨损试验机内分别冲蚀1、2、4和8 h，对应的试样分别命名为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三维轮廓仪测出冲蚀后试样冲蚀面的真实三维轮廓形貌，定量表征冲蚀后的表面轮廓，体现冲蚀磨损机理转变的细节[14]。
2、冲蚀磨损试验结果
2.1 冲蚀时间对冲蚀机理演变的影响
图3[a~d]分别定量地展示了经ECAE处理的试样冲蚀磨损后的三维表面轮廓。
从图3[a]可看出，1 h冲蚀后e1试样表面呈现连绵起伏的“山峦”和连续凹陷的划痕，主要表现出砂粒擦过试样表面引起的划痕损伤，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试样连续起伏的“山峦”被打断，突出的“山峰”数开始增加，试样表面出现了冲击坑迹象，冲蚀磨损机理由微切削为主逐步向冲击挤压变形过渡。需要指出的是，这里的冲击坑及冲击挤压仅仅是形式上展现出来的，并不一定代表这些坑状物全部由砂粒直接撞击引起。
冲蚀4 h后，如图3[c]所示，e4试样出现了明显的冲击坑，同时几乎找不到连续起伏的突出“山峦”，e4试样基本完成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]中较明显的冲击坑共有6处，如箭头所示。分别用图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，每个图展现了2个冲击坑。6个冲击坑的深度在5~7 μm左右，这表明随着冲蚀时间的增加，冲击坑愈加明显，深度达到了10 μm的量级，冲蚀机理呈现为砂粒冲击挤压变形。
为了后续讨论Ti5553钛合金的冲蚀磨损机理演变过程，通过引入冲蚀率的概念，分析在0~20 h时间段内冲蚀率的变化趋势，从试样的宏观质量变化找出冲蚀机理演变的历程。在本文中，试样的冲蚀率
按如下表达式定义：
其中： mt为试样 t时刻停机取样时的质量； m0为试样未冲蚀时的质量。
图5[a]和图5[b]分别给出了850et试样与nullet试样在冲蚀时间为0~20 h过程中的累积失重量与冲蚀率。
图5[b]表明，无论对未经ECAE处理的nullet试样还是经ECAE处理的850et试样，在冲蚀磨损前期0~9 h内，试样的冲蚀率变化大，呈现了明显的非线性变化趋势，nullet试样冲蚀率甚至还有上下窜动，850et试样冲蚀率则近似地展现出了多个平台。这说明在0~9 h时间段内，冲蚀磨损过程是不稳定的[15]。但在9 h后，经ECAE处理的850et试样的冲蚀率逐步平缓，冲蚀磨损机理已经完成了转变，趋向稳定。
2.2 Nullet试样与850et试样冲蚀程度比较
图6[a]、图6[b]分别是nullet试样、850et试样在冲蚀20 h后的SEM表面形貌图。
在Matlab平台上编制图像处理程序，通过SEM图像的灰度值均方根[公式[3]]可以定量地比较试样的高低起伏程度；通过识别SEM图像轮廓，计算轮廓所占面积百分比[公式4]，可以定量地比较试样的划痕与冲击坑裂纹长度。
式中： R为SEM表面形貌图灰度值均方根； a i 为SEM表面形貌图灰度矩阵的各个元素值； a ˉ为SEM表面形貌图灰度矩阵各个元素的平均值； N为SEM表面形貌图灰度矩阵元素个数。
式中： S为SEM表面形貌图轮廓边界所占面积百分比； ∑ p edge 为SEM表面形貌图轮廓边界所占像素数； ∑ p为SEM表面形貌图的全部像素数。
Matlab计算结果表明：850et试样的高低起伏程度、划痕与冲击坑裂纹长度远小于nullet试样，分别仅为后者的68%和38%。这说明经过ECAE处理的850et试样抗冲蚀磨损能力远高于未经ECAE处理的nullet试样。结合图5[b]中nullet试样冲蚀率极不稳定这一事实，说明适当的ECAE工艺可以使冲蚀磨损形式转变得更为平和。
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主要原因。
3.1 合金显微组织的作用
根据未经挤压坯料冲蚀面的金相图片，Ti5553钛合金的 β基体内弥散着细小的 α相，并且 α相分布均匀，如图7[a]所示。
经过1道次等径角挤压后，按照文献[16]给出的计算公式：
式中： ε N 为试样等效应变； N为等径角挤压次数； Φ为等径角挤压通道的内角； Ψ为等径角挤压通道的外角。则ECAE处理的试样等效应变较大，接近100%。试样经过回复、再结晶过程后，晶粒细小且分布均匀[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基体更加紧实，保证了 α相能够类似于“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。因为 45 ∘冲蚀攻角属于高角度冲蚀，砂粒的运动速度既有法向分量又有切向分量，二者大小相同，砂粒同时对e1试样表面起到了微切削和冲击挤压作用。 α相的尺寸较小、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基体外，形成了“树桩”[ α相]嵌在“泥土”[ β基体]中的现象，如图8示意。
e1试样冲蚀时间仅1 h，冲蚀破坏程度不明显， 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、保护Ti5553基体的作用。
当砂粒的运动速度在某一阈值以下，砂粒撞击试样表面时只会引起材料的弹性变形。在这种情况下，可以认为材料不会失效。只有当砂粒运动速度超过阈值，引起试样塑性变形或断裂，才会使得材料发生冲蚀失效。此时，砂粒的动能转化为如下两部分能量，第一部分为试样弹性变形时吸收的能量，第二部分为试样在发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 为引起冲蚀破坏的砂粒的动能； 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定时，相同质量的砂粒具有相同动能 E k 。假设砂粒在冲击试样表面过程中不发生形变，则根据公式[7]，试样屈服强度 σ S 越高，则冲击坑体积 V越小，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，冲蚀破坏形式主要为图3[a]所示的微切削划痕，即冲蚀机理以微切削为主。
随着冲蚀时间的增加， α相露出 β基体的高度开始增加，则砂粒撞击在“树桩”[ α相]的概率高。砂粒撞击 α相时，冲击速度有向下的法向分量，可以将 α相更加紧实地压在 β基体内。这时，均匀弥散的 α相起到了拦截砂粒、保护冲蚀面的作用。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，根据公式[6]，能吸收“树桩” α相移动时的能量，故能缓冲砂粒的切向破坏。冲蚀撞击的切向分量被 α相抑制，材料破坏开始转向冲击挤压变形。
随着冲蚀时间的进一步增加，冲蚀破坏的法向作用，即冲击变形突出，冲蚀磨损机理逐步转变为冲击挤压破坏。这是e2试样、e4试样、e8试样在冲蚀时间增加后切削迹象减少但冲击坑增加的原因。
由此可见，Ti5553合金中弥散的 α相阻挡了砂粒对冲蚀面的微切削作用，改变了冲蚀磨损机理，更重要的是固定 α相的“泥土” β基体拥有良好的强度和韧塑性，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破坏起到了保护作用。
3.2 ECAE工艺的作用
未经ECAE处理的nullet试样晶粒粗大，尺寸到达约0.8 mm，强度、韧塑性不及经ECAE处理的850et试样，如图7[b]所示。
Nullet试样 β基体内虽然也弥散着细小的 α相，但是“泥土”[ β基体]较为松散。根据公式[7]，nullet试样的屈服强度 σ s 较小，抵御 α相的横向移动能力明显小于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基体起到了连续搅拌破坏的作用。随着 α相在 β基体内愈加松垮，该 α相与周围的 β基体产生疲劳破坏的概率越高，当冲蚀时间达到一定程度时， α相与周围的 β基体就会从冲蚀面脱落，形成破坏。
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势，如图9所示。
根据作用力与反作用力， β基体会被 α相向上撬起。此时，材料的强度，特别是抗拉强度、韧塑性就起到了重要作用，如公式[7]所示。未经ECAE处理的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基体更加容易被拉断，造成 α相与周围的 β基体脱落。因为 α相有旋转的趋势，所以 β基体脱离冲蚀面时，会形成所谓的伪冲击坑。虽然名义上这种破坏形式展现出冲击坑，但并非是直接由砂粒法向冲击试样表面形成的。在这种情况下，冲蚀磨损机理不能简单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基体共同作用的结果。这一解释体现在图6中，未经ECAE处理的nullet试样展现的破坏形式并不是单一的微切削或冲击挤压，而是在冲蚀坑附近伴随了大量划痕与裂纹。
3.3 冲蚀磨损机理演变速度
根据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相对试样起到了保护作用，表现在宏观层面，试样的冲蚀率逐步减小，这对应于图5[b]所示850et试样的冲蚀率曲线图，其波动程度较小。但是对于nullet试样， β基体中弥散的 α相加剧了材料的冲蚀破坏，故在冲蚀磨损初期，冲蚀率有较明显的上下窜动，完成冲蚀机理转变的时间长于850et试样。
冲蚀线速度对于冲蚀磨损机理演变速度也有重要的影响。对于e1、e2、e4和e8试样，由于冲蚀线速度较高，为13.6 m/s，砂粒切削试样表面导致 α相露出 β基体的时间大为缩短，使得试样在2~4 h内完成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才使得冲蚀率稳定，即完成了冲蚀磨损机理的转变。
4、结论
a. 经等径角挤压处理的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，并保持不变。
b. Ti5553钛合金在等径角挤压后，细小、弥散的 α相更加牢固地嵌在 β基体中。随着冲蚀过程的进行，紧固于基体的 α相逐渐露出 β基体，对砂粒起到了切向拦截作用，减缓了砂粒的微切削破坏，使得材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，加剧了材料的冲蚀破坏。当积累到一定程度， 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重要因素。等径角挤压工艺使得弥散的 α相保护了试样基体，提高材料的强度和韧塑性，有助于减小试样的冲蚀率，并使试样更快地进入稳定冲蚀磨损期。
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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）
