TC4鈦合金激光熔覆自潤滑耐磨復(fù)合層的研究

鈦及鈦合金具有密度小耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能。世界鈦工業(yè)正經(jīng)歷著以航空航天為主要市場的單一模式，向冶金、能源、交通、化工、生物醫(yī)藥等民用領(lǐng)域?yàn)橹攸c(diǎn)發(fā)展的多元模式過渡。目前世界上能進(jìn)行鈦工業(yè)化生產(chǎn)的國家只有美國、日本、俄羅斯、中國等少數(shù)國家，鈦的世界年總產(chǎn)量僅有幾萬噸。但是由于鈦的重大戰(zhàn)略價值和在國民經(jīng)濟(jì)中的地位，鈦將成為繼鐵、鋁之后崛起的“第三金屬”，21世紀(jì)將是鈦的世紀(jì)。鈦合金具有熔點(diǎn)高、密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性優(yōu)異、生物相容性好等突出優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。但受硬度低、耐磨性差等缺點(diǎn)的制約，一般不能用作重要的摩擦運(yùn)動副零部件。此外，很多在高溫條件下承受強(qiáng)烈摩擦磨損作用的相對運(yùn)動副零部件不僅要求具有優(yōu)異的耐磨性與抗氧化性，而且由于高溫條件下無法實(shí)現(xiàn)外加潤滑而必須具有優(yōu)異的自潤滑性能。由于磨損基本發(fā)生在材料或零部件的表面，采用先進(jìn)的表面工程手段在其表面制備硬度高、耐磨性以及摩擦相容性好的涂層無疑具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

為了探索提高鈦合金商業(yè)應(yīng)用的新途徑,本文分別以NiCr/Cr3C2、NiCr/Cr3C2-WS2和NiCr/Cr3C2-CaF2復(fù)合合金粉末為原料，采用激光熔覆技術(shù)，在TC4合金表面制備耐磨/自潤滑耐磨復(fù)合涂層。采用XRD、SEM和EDS等現(xiàn)代材料分析手段深入研究了各涂層的顯微組織及物相組成，利用顯微硬度計測試了復(fù)合涂層的顯微硬度，利用高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試了涂層在室溫、300℃、600℃下的干滑動磨損性能并深入分析了其磨損機(jī)理及對偶件效應(yīng)。結(jié)果表明：激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC耐磨復(fù)合涂層的顯微組織由增強(qiáng)相TiC和增韌相γ-NiCrAlTi固溶體構(gòu)成，其平均顯微硬度約為1100HV0.2。激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC+TiWC2/CrS+Ti2CS自潤滑耐磨復(fù)合涂層的顯微組織由增強(qiáng)相TiC和TiWC2、增韌相γ-NiCrAlTi固溶體、金屬硫化物自潤滑相CrS和Ti2CS組成，其平均顯微硬度1005HV0.2。激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC/CaF2復(fù)合涂層的顯微組織以TiC為增強(qiáng)相、γ-NiCrAlTi固溶體為增韌相、CaF2為自潤滑相，其平均顯微硬度1150HV0.2。干滑動摩擦磨損測試表明：在室溫時，由于高硬度增強(qiáng)相TiC和增韌相γ-NiCrAlTi固溶體的綜合效應(yīng)，激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC耐磨復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率比TC4合金基體顯著降低，激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC復(fù)合涂層具有較好的耐磨減摩性能。從300℃到600℃，TC4合金表面發(fā)生嚴(yán)重氧化，生成TiO2,具有耐磨減摩性能。從室溫到600℃，由于增強(qiáng)相TiC、TiWC2和自潤滑相CrS、Ti2CS的綜合效應(yīng)，激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC+TiWC2/CrS+Ti2CS復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率均比TC4合金降低，具有良好的自潤滑耐磨性能。從室溫到600℃，由于高硬度增強(qiáng)相TiC、增韌相γ-NiCrAlTi固溶體和自潤滑相CaF2的綜合效應(yīng)，激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC/CaF2自潤滑耐磨復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)和磨損率均比TC4合金基體顯著降低，該復(fù)合涂層具有杰出的自潤滑耐磨性能；對偶件Si3N4陶瓷球的磨損程度也顯著降低。