TC4鈦合金激光熔覆自潤滑耐磨復合層的研究

鈦及鈦合金具有密度小耐腐蝕、耐高溫等優異性能。世界鈦工業正經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、生物醫藥等民用領域為重點發展的多元模式過渡。目前世界上能進行鈦工業化生產的國家只有美國、日本、俄羅斯、中國等少數國家，鈦的世界年總產量僅有幾萬噸。但是由于鈦的重大戰略價值和在國民經濟中的地位，鈦將成為繼鐵、鋁之后崛起的“第三金屬”，21世紀將是鈦的世紀。鈦合金具有熔點高、密度低、比強度高、耐蝕性優異、生物相容性好等突出優點，在航空航天、生物醫學等領域中得到廣泛應用。但受硬度低、耐磨性差等缺點的制約，一般不能用作重要的摩擦運動副零部件。此外，很多在高溫條件下承受強烈摩擦磨損作用的相對運動副零部件不僅要求具有優異的耐磨性與抗氧化性，而且由于高溫條件下無法實現外加潤滑而必須具有優異的自潤滑性能。由于磨損基本發生在材料或零部件的表面，采用先進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濟性和可行性。

為了探索提高鈦合金商業應用的新途徑,本文分別以NiCr/Cr3C2、NiCr/Cr3C2-WS2和NiCr/Cr3C2-CaF2復合合金粉末為原料，采用激光熔覆技術，在TC4合金表面制備耐磨/自潤滑耐磨復合涂層。采用XRD、SEM和EDS等現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合涂層的顯微硬度，利用高溫摩擦磨損試驗機測試了涂層在室溫、300℃、600℃下的干滑動磨損性能并深入分析了其磨損機理及對偶件效應。結果表明：激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC耐磨復合涂層的顯微組織由增強相TiC和增韌相γ-NiCrAlTi固溶體構成，其平均顯微硬度約為1100HV0.2。激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC+TiWC2/CrS+Ti2CS自潤滑耐磨復合涂層的顯微組織由增強相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復合涂層的顯微組織以TiC為增強相、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，由于高硬度增強相TiC和增韌相γ-NiCrAlTi固溶體的綜合效應，激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC耐磨復合涂層的摩擦系數和磨損率比TC4合金基體顯著降低，激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC復合涂層具有較好的耐磨減摩性能。從300℃到600℃，TC4合金表面發生嚴重氧化，生成TiO2,具有耐磨減摩性能。從室溫到600℃，由于增強相TiC、TiWC2和自潤滑相CrS、Ti2CS的綜合效應，激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC+TiWC2/CrS+Ti2CS復合涂層的摩擦系數和磨損率均比TC4合金降低，具有良好的自潤滑耐磨性能。從室溫到600℃，由于高硬度增強相TiC、增韌相γ-NiCrAlTi固溶體和自潤滑相CaF2的綜合效應，激光熔覆γ-NiCrAlTi/TiC/CaF2自潤滑耐磨復合涂層的摩擦系數和磨損率均比TC4合金基體顯著降低，該復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。