摘要：為提升Ti6Al4V合金的摩擦學性能，研究并開發先進復合材料涂層新體系,選用（NiCr-40Al-20Si，wt.%）復合粉末在Ti6Al4V合金表面激光熔覆高溫自潤滑耐磨復合涂層。系統地分析了復合涂層的物相、顯微組織結構和硬度。利用高溫摩擦磨損試驗機分別測試了Ti6Al4V合金和復合涂層在600℃的摩擦學性能，結果表明：復合涂層以Ti5Si3和Al3Ni2為增強相，Al3Ti和NiTi為復合涂層基體。相比基體，復合涂層具有更高的顯微硬度（約850HV0.5）、更低的磨損率（約5.0×10-5mm3/Nm）和更低的摩擦系數（約0.42）。

    關鍵詞：復合涂層；激光熔覆；TC4合金；高溫摩擦磨損

    1引言

    鈦合金因其耐腐蝕、耐熱、耐低溫性能好，同時具備比強度高、生物相容性好等優點，已在航空航天、船舶制造、醫療器械等領域得到不斷擴展應用[1-2]。雖然其具有上述許多優點，但是也存在著摩擦磨損性能差、難以潤滑、表面硬度低等缺陷，這極大地限制了它的廣泛應用。采用先進的表面技術手段提高鈦及其合金的硬度和耐磨性能成為解決這一問題的主要方法[3-5]。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改善鈦合金表面性能[6-7]。激光熔覆具有以下特點[8]：

    (1)經濟效益高，在低廉的金屬基材上制備具有特定高性能的復合涂層，滿足不同工況下零部件要求，節約稀有、貴重金屬材料的使用，從而大幅度降低成本；

    (2)激光熔覆技術與先進的工業機器人技術相結合，可以實現高效的自動化生產，同時可以精確控制所制備復合涂層的厚度、稀釋率、寬度，滿足不同工件不同部位的要求；

    (3)激光熔覆過程中，高能量密度的激光束作用時間短，熔覆材料快速熔化凝固，復合涂層組織細小、致密；

    (4)激光熔覆技術操作相對簡單，同時熔覆過程中不會產生對環境有害的污染物，噪音小，是一個滿足可持續發展戰略、綠色環保的先進表面改性技術。

    本文擬以NiCr-40Al-20Si復合粉末為原料，在鈦合金（TC4）表面激光熔覆鎳基高溫自潤滑耐磨復合涂層，并分析復合涂層的組織及在高溫下的摩擦學性能。

    2實驗材料和方法

    2.1實驗材料

    基體材料為TC4合金（Ti-6.3Al-4.3V,wt%），尺寸為40mm×40mm×8mm，以40mm×40mm面為熔覆面。待熔覆面經砂紙打磨以去除表層氧化膜，之后置于無水乙醇中用超聲波清洗，裝袋密封備用。熔覆材料選用質量分數為NiCr-40Al-20Si的復合合金粉末，將粉末放入QM-3SP04行星球磨機球磨12h以混合均勻。使用甲基纖維素粘結劑將混合粉末預置在基體上，粉末厚度約為1.5mm，放入溫度為120℃的干燥箱中保溫4h。

    2.2實驗方法

    激光熔覆試驗采用激光制造研究所3kW半導體激光器（DLS-980.10-3000C，λ=1.064μm）進行。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：輸出功率1.8kW，掃描速度4mm/s，光斑尺寸6mm×3mm。使用電火花線切割沿熔覆層橫截面切取樣塊制成金相試樣，用X射線衍射儀(XRD)分析涂層物相。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。采用日立S-4700場發射掃描電子顯微鏡(SEM)和自帶的能譜分析儀(EDS)對涂層的顯微組織結構和成分進行分析。TC4基體和復合涂層在600°C高溫下進行摩擦學試驗，在球-盤式高溫摩擦磨損試驗機(HT-1000)上進行，摩擦對偶件選用耐高溫的Si3N4陶瓷球，直徑為4mm，磨損體積由磨損試驗機自帶的輪廓儀自動計算得出，具體摩擦磨損實驗參數見表1。

    3結果與討論

    3.1復合涂層顯微組織

    圖1為復合涂層的XRD分析結果，可見涂層的主要物相有Ti5Si3、NiTi、Al3Ni2、Al3Ti和少許的Ti5Si4、Cr5Si3。圖2(a)為復合涂層的橫截面全貌（SEM），可見復合涂層的形狀近似為“饅頭狀”，其厚度約為1.6mm，復合涂層無裂紋，僅有少量氣孔。復合涂層與Ti6Al4V合金結合區如圖2(b)所示，存在明顯的熔合線表明復合涂層與鈦合金呈良好冶金結合；由于冷卻速度大于鈦合金臨界冷卻速度200℃/s，熱影響區出現針狀馬氏體[9,10]。圖2(c)為復合涂層中部典型組織結構，可見其呈現等軸晶結構。圖2(d)為圖2(c)局部放大圖，可見其主要由塊狀區域A、網格狀區域B和灰色基體C組成，各區域的EDS能譜分析結果如圖3所示，A主要由Ti和Si組成，原子比約為5:3，根據Ti-Si相圖，Ti5Si3在所分析的物相中具有最高的熔點（2130℃），在熔池凝固過程中最先生成，故可推斷A為Ti5Si3金屬間化合物；B主要由Ni和Al組成，其原子比約為3:2，復合涂層基體主要由Al、Ti和Ni組成，結合XRD分析，可推斷B為Al3Ni2金屬間化合物，復合涂層基體主要為Al3Ti和NiTi的混合物。

    3結果與討論

    3.1復合涂層顯微組織

    圖1為復合涂層的XRD分析結果，可見涂層的主要物相有Ti5Si3、NiTi、Al3Ni2、Al3Ti和少許的Ti5Si4、Cr5Si3。圖2(a)為復合涂層的橫截面全貌（SEM），可見復合涂層的形狀近似為“饅頭狀”，其厚度約為1.6mm，復合涂層無裂紋，僅有少量氣孔。復合涂層與Ti6Al4V合金結合區如圖2(b)所示，存在明顯的熔合線表明復合涂層與鈦合金呈良好冶金結合；由于冷卻速度大于鈦合金臨界冷卻速度200℃/s，熱影響區出現針狀馬氏體[9,10]。圖2(c)為復合涂層中部典型組織結構，可見其呈現等軸晶結構。圖2(d)為圖2(c)局部放大圖，可見其主要由塊狀區域A、網格狀區域B和灰色基體C組成，各區域的EDS能譜分析結果如圖3所示，A主要由Ti和Si組成，原子比約為5:3，根據Ti-Si相圖，Ti5Si3在所分析的物相中具有最高的熔點（2130℃），在熔池凝固過程中最先生成，故可推斷A為Ti5Si3金屬間化合物；B主要由Ni和Al組成，其原子比約為3:2，復合涂層基體主要由Al、Ti和Ni組成，結合XRD分析，可推斷B為Al3Ni2金屬間化合物，復合涂層基體主要為Al3Ti和NiTi的混合物。

    3.2復合涂層的高溫摩擦學性能

    圖4為復合涂層橫截面的顯微硬度曲線,從圖4中可以看出復合涂層的顯微硬度（約850HV0.5）是Ti6Al4V合金（約350HV0.5）的2.5倍。圖5為Ti6Al4V合金和復合涂層的600℃干滑動摩擦系數曲線，復合涂層的摩擦系數約為0.42，低于Ti6Al4V合金的摩擦系數（約0.52），但復合涂層的摩擦系數波動平穩，Ti6Al4V合金波動較大。Ti6Al4V合金和復合涂層的磨損軌跡曲線如圖6所示，復合涂層和Ti6Al4V合金的600℃的磨損率如圖7所示。復合涂層的磨損深度大約為80µm，低于Ti6Al4V合金的磨損深度（約120µm)。在復合涂層高硬度和高韌性的協同作用下，復合涂層的磨損率約為5.0×10-5mm3/Nm，其磨損率為Ti6Al4V合金的0.5倍，表明復合涂層的耐磨性是Ti6Al4V合金的2倍。

    4結論

    a.利用激光熔覆技術在TC4合金表面成功制備出鈦基高溫自潤滑耐磨復合涂層，復合涂層質量良好無缺陷。

    b．復合涂層以Ti5Si3和Al3Ni2為增強相，Al3Ti和NiTi為復合涂層基體。相比基體，復合涂層在高溫下具有更高的顯微硬度（約850HV0.5）、更低的磨損率（約5.0×10-5mm3/Nm）和更低的摩擦系數（約0.42）。

    參考文獻

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    [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].

    作者簡介：

    周仲炎（1993-），男，碩士研究生，從事新型材料的力學性能研究；電話：15576846849；Email:azzy212@163.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