摘要：為提升TA2合金的摩擦學性能，選用Ti-TiC-WS2復合粉末在TA2合金表面制備激光熔覆復合涂層。在室溫和250℃下測試基體和涂層的摩擦學性能，對涂層的物相、顯微組織結構、硬度和摩擦機理進行了系統的分析。結果表明：涂層的顯微硬度（約1052.3HV0.5）是基體的5倍；由于碳化物TiC、(Ti,W)C1-x和硫化物Ti2SC、TiS的綜合作用，相比基體，復合涂層在所有的試驗溫度下都具有較小摩擦系數和磨損率，且在250℃具有最低的摩擦系數(0.257)和磨損率（8.586×10-5mm3/Nm）。

    關鍵詞：復合涂層；激光熔覆；TA2合金；高溫摩擦磨損

    1引言

    TA2鈦合金具有高比強度、良好的耐熱性和耐蝕性等優點，在航空航天、造船、醫療器械等領域得到了廣泛應用，但其硬度低、耐磨性能差、摩擦系數大的缺點極大地限制了其作為關鍵運動副零部件的應用[1-3]。目前，激光熔覆作為一種低成本高效益的技術已被廣泛地應用于提高鈦及其合金的硬度和耐磨性能[4,5]。

    通過添加或原位合成硬質相以及添加固體潤滑劑（如MoS2、WS2、CaF2等）制備自潤滑耐磨涂層，既保證較好的耐磨性能，又兼有較低的摩擦系數，但也存在固體潤滑劑在激光熔覆過程中的分解和飛濺,造成自潤滑效果的降低[6]。在激光熔覆過程中通過原位合成具有潤滑效果的新生相可以有效地解決這一問題。以TiC為增強相的鈦基復合涂層具有原位生成的特點,可以獲得性能優異的復合材料[7]。

    本文擬以Ti-TiC-WS2復合粉末為原料，在TA2合金表面激光熔覆鈦基高溫自潤滑耐磨復合涂層，并分析涂層的組織及在常溫和250℃下的摩擦學性能及其機理，為拓展鈦及其合金的應用提供參考。

    2實驗材料和方法

    2.1實驗材料

    選取退火態的TA2板材作為基體材料，切割成40mm×20mm×8mm的矩形樣塊。熔覆材料中Ti，TiC，WS2的質量百分比分別為40%,29.4%,30.6%。采用球磨機對混合粉末進行球磨，將球磨好的粉末和適量的甲基纖維素有機黏結劑倒入玻璃燒杯中攪拌均勻，隨后均勻地涂在待熔覆面，厚度約為1.5mm。

    2.2實驗方法

    選用DILASSD3000S型半導體激光器進行單道熔覆。激光器的額定功率為3kW，波長為980nm。經前期多次試驗，最終確定本次激光熔覆試驗的主要工藝參數為：光斑尺寸4mm×3mm，激光功率1.5kW，掃描速度4mm/s。復合涂層金相試樣經打磨拋光后，使用HF、HNO3和H2O（體積比為1:3:9）的混合溶液作為腐蝕劑進行金相腐蝕。使用多功能X射線衍射儀(X’Pert-ProMPD)分析涂層物相，冷場發射掃描電鏡(ZeissEVO18)和能譜分析儀（EDS）觀察激光熔覆層截面的組織結構及典型組織的元素含量。采用維氏顯微硬度測試儀(型號MH-5)對涂層橫截面的顯微硬度進行測試，外加載荷為500g，持續時間為15s。在球-盤式高溫摩擦磨損試驗機(HT-1000)上進行TA2基體和復合涂層不同溫度下的摩擦學試驗，摩擦對偶件選用直徑為4mm的Si3N4陶瓷球，磨損參數為：旋轉半徑1.5mm,旋轉線速度760m•s-1,載荷6N,試驗時間30min,利用自帶的表面輪廓儀測量磨痕深度與磨損體積。

    3結果與討論

    3.1涂層物相與顯微組織分析

    圖1為激光熔覆復合涂層的表面形貌和橫截面SEM照片。由圖1(a)可以看出復合涂層表面無明顯氣孔和裂紋，寬度約為5mm，涂層與基體結合良好。在激光熔覆過程中，熔池具有和自然對流相同的強制對流。強制對流在熔池的左測為逆時針方向，在右測為順時針方向。當熔池中沒有低熔點的表面活性元素（Ni,Co等）時，熔融表面膨脹很大，涂層形貌略呈凹陷狀[8]。由于熱影響區的冷卻速度超過了鈦合金臨界冷卻速度200℃/s，發生馬氏體轉變，由圖1(b)可以看出熱影響區出現了針狀馬氏體[9,10]。

    激光熔覆復合涂層的XRD圖譜如圖2所示。根據XRD圖譜分析，涂層中的物相主要分為三類：軟質相基體α-Ti；增強相TiC、(Ti,W)C1-x和自潤滑相Ti2SC、TiS。推測Ti-TiC-WS2激光熔覆過程中，物相的形成過程可能如下。由于WS2具有較低的熔點（510℃），在激光束的照射下預置粉末中的WS2會最先分解，隨后Ti融化，TiC會逐漸溶解于Ti液相。從TiC-C平衡相圖[11]分析可知，當TiC析出時，TiC中的Ti原子與C原子不再滿足1:1的關系。過量的C元素會與熔池中的W元素發生反應形成WC，之后和TiC生成單一固溶體(Ti,W)C1-x[12]。熔池中的Ti元素、TiC和S元素原位生成硫化物Ti2SC以及少量TiS。最終熔池中的Ti凝固為基體α-Ti。

    圖2激光熔覆復合涂層XRD譜

    圖3為Ti-TiC-WS2復合涂層上部和中部典型組織SEM圖片，表1為圖3中不同區域EDS結果。涂層的上部顯微組織主要由黑色塊狀組織A，胞狀組織B以及連續基體C組成，涂層的中部組織由黑色塊狀組織D、白色團狀組織E、連續基體F和白色長桿狀組織G組成。結合XRD、EDS中各典型組織的元素含量推斷：連續基體C、F主要為α-Ti，填充在其他組織中間起到粘結、增韌作用；黑色塊狀組織A、D主要為TiC；白色胞狀組織B、E主要為(Ti,W)C1-x；白色長桿狀組織G主要為Ti2SC。圖4為激光熔覆復合涂層橫截面的顯微硬度曲線。從圖4中可以看出涂層的平均顯微硬度有了很大的提升，約為1052.3HV0.5。碳化物TiC和(Ti,W)C1-x可提高復合涂層的硬度和耐磨性，硫化物Ti2SC具有良好的自潤滑效果[13]。

    3.2摩擦系數與磨損率

    圖5和圖6是基體和復合涂層在不同溫度下的摩擦系數和磨損率。復合涂層在250℃具有最低的摩擦系數(0.257)和磨損率（8.586×10-5mm3/Nm）

    3.3室溫和高溫磨損機理

    圖7為基體和涂層的磨損形貌以及磨屑形貌圖片。從圖7(a)可以看出，基體磨損表面出現嚴重的塑性變形和犁溝。從圖7(b)可以看出，當溫度為250℃時，TA2合金表面的塑性變形有所減輕，根據表2中A、B、C磨損表面EDS分析可知，基體表面含有較多的O元素，這表明磨損表面形成了大量的氧化膜，起到了減摩抗磨的效果。從圖7(c)和圖8(c)中可以看出，室溫下涂層的磨損表面出現輕微的塑性變形、黏著痕跡和粉末狀的磨屑。在摩擦過程中，硬質相TiC和(Ti,W)C1-x可增加對偶件壓入的抵抗能力，同時原位生成的硫化物Ti2SC形成潤滑轉移膜，起到了潤滑作用。磨損機理為粘著磨損和輕微的塑性變形。

    4結論

    a.利用激光熔覆技術在TA2合金表面成功制備出鈦基高溫自潤滑耐磨復合涂層，涂層質量良好、無缺陷，涂層的顯微硬度約1052.3HV0.5。相比基體，復合涂層在250℃具有最低的摩擦系數(0.257)和磨損率（8.586×10-5mm3/Nm）。

    b.在室溫下復合涂層的磨損機理主要為粘著磨損和輕微塑性變形；250℃時復合涂層的磨損機理主要為粘著磨損、輕微的氧化磨損和磨粒磨損。

    參考文獻

    [1]F.WENG,C.CHEN,H.YU.ResearchStatusofLaserCladdingonTitaniumandItsAlloys:AReview[J].MaterialsandDesign,2014,58(6):412—425.

    [2]Y.WU,A.H.WANG,Z.ZHANG,etal.LaserAlloyingofTi-SiCompoundCoatingonTi-6Al-4VAlloyforTheImprovementofBioactivity[J].AppliedSurfaceScience,2014,305:16—23.

    [3]楊勇進,張曉云,孫志華,等.TC4鈦合金厚板電偶腐蝕與防護研究[J].裝備環境工程,2016(4):149—156.

    [4]B.Han,M.K.Zhang,C.H.Qi,etal.Characterizationandfriction-reductionperformancesofcompositecoatingproducedbylasercladdingandionsulfurizing[J].MaterialsLetters,2015,150:35-38.

    [5]P.L.Zhang,X.P.Liu,Y.L.Lu,etal.MicrostructureandwearbehaviorofCu–Mo–Sicoatingsbylasercladding[J].AppliedSurfaceScience,2014,311(9):709-714.

    [6]A.H.Wang,X.L.Zhang,X.F.Zhang,etal.Ni-basedalloy/submicronWS2self-lubricatingcompositecoatingsynthesizedbyNd:YAGlasercladding[J].MaterialsScienceandEngineering:A,2008,475(1):312-318.

    [7]皋蓮,吳少華,陸小龍,等.TA2鈦合金表面激光熔覆Ti2SC/TiS自潤滑耐磨復合涂層組織與性能[J].材料熱處理學報,2016,37(7):188–202.

    [8]孫榮祿,楊賢金.TC4鈦合金激光熔覆TiC+M涂層組織和耐磨性能研究[J].材料熱處理學報,2006,27(1):96-99.

    [9]Z.F.Xiang,X.B.Liu,J.Ren,etal.Investigationoflasercladdinghightemperatureanti-wearcompositecoatingsonTi6Al4Valloywiththeadditionofself-lubricantCaF2[J].AppliedSurfaceScience,2014,313:243-250.

    [10]余鵬程,劉秀波,陸小龍,等.Ti6Al4V合金激光熔覆復合涂層的摩擦學和高溫抗氧化性能研究[J].中國激光,2015,42(10):1003004.

    [11]J.L.Murray.BinaryPhaseDiagrams[M].Ohio:AmericanSocietyforMetals,1986:593.

    [12]高超,趙忠民,張龍,等.超重力下燃燒合成TiC(Ti,W)C1-x基細晶復合陶瓷研究[J].粉末冶金工業,2011,21(2):36-40.

    [13]劉海青,劉秀波,孟祥軍,等.Ti-6Al-4V合金激光熔γ-NiCrAlTi/TiC+TiWC2/CrS+Ti2CS高溫自潤滑耐磨復合涂層研究[J].中國激光,2014,41(3):0303005.

    [14]R.Tyagi,D.Xiong,J.Li.Effectofloadandslidingspeedonfrictionandwearbehaviorofsilver/h-BNcontainingNi-baseP/Mcomposites[J].Wear,2011,270:423-430.

    作者簡介：王勉（1993-），男，碩士研究生，從事新型材料的力學性能研究；電話：15527969162；Email:815065090@qq.com

    通訊作者：劉秀波（1968—），男，博士，教授，主要研究方向為激光材料加工、表面工程與摩擦學電話：13451661263；Email:liuxiubosz@163.com