摘要：为提升TA2合金的摩擦学性能，选用Ti-TiC-WS2复合粉末在TA2合金表面制备激光熔覆复合涂层。在室温和250℃下测试基体和涂层的摩擦学性能，对涂层的物相、显微组织结构、硬度和摩擦机理进行了系统的分析。结果表明：涂层的显微硬度（约1052.3HV0.5）是基体的5倍；由于碳化物TiC、(Ti,W)C1-x和硫化物Ti2SC、TiS的综合作用，相比基体，复合涂层在所有的试验温度下都具有较小摩擦系数和磨损率，且在250℃具有最低的摩擦系数(0.257)和磨损率（8.586×10-5mm3/Nm）。

    关键词：复合涂层；激光熔覆；TA2合金；高温摩擦磨损

    1引言

    TA2钛合金具有高比强度、良好的耐热性和耐蚀性等优点，在航空航天、造船、医疗器械等领域得到了广泛应用，但其硬度低、耐磨性能差、摩擦系数大的缺点极大地限制了其作为关键运动副零部件的应用[1-3]。目前，激光熔覆作为一种低成本高效益的技术已被广泛地应用于提高钛及其合金的硬度和耐磨性能[4,5]。

    通过添加或原位合成硬质相以及添加固体润滑剂（如MoS2、WS2、CaF2等）制备自润滑耐磨涂层，既保证较好的耐磨性能，又兼有较低的摩擦系数，但也存在固体润滑剂在激光熔覆过程中的分解和飞溅,造成自润滑效果的降低[6]。在激光熔覆过程中通过原位合成具有润滑效果的新生相可以有效地解决这一问题。以TiC为增强相的钛基复合涂层具有原位生成的特点,可以获得性能优异的复合材料[7]。

    本文拟以Ti-TiC-WS2复合粉末为原料，在TA2合金表面激光熔覆钛基高温自润滑耐磨复合涂层，并分析涂层的组织及在常温和250℃下的摩擦学性能及其机理，为拓展钛及其合金的应用提供参考。

    2实验材料和方法

    2.1实验材料

    选取退火态的TA2板材作为基体材料，切割成40mm×20mm×8mm的矩形样块。熔覆材料中Ti，TiC，WS2的质量百分比分别为40%,29.4%,30.6%。采用球磨机对混合粉末进行球磨，将球磨好的粉末和适量的甲基纤维素有机黏结剂倒入玻璃烧杯中搅拌均匀，随后均匀地涂在待熔覆面，厚度约为1.5mm。

    2.2实验方法

    选用DILASSD3000S型半导体激光器进行单道熔覆。激光器的额定功率为3kW，波长为980nm。经前期多次试验，最终确定本次激光熔覆试验的主要工艺参数为：光斑尺寸4mm×3mm，激光功率1.5kW，扫描速度4mm/s。复合涂层金相试样经打磨抛光后，使用HF、HNO3和H2O（体积比为1:3:9）的混合溶液作为腐蚀剂进行金相腐蚀。使用多功能X射线衍射仪(X’Pert-ProMPD)分析涂层物相，冷场发射扫描电镜(ZeissEVO18)和能谱分析仪（EDS）观察激光熔覆层截面的组织结构及典型组织的元素含量。采用维氏显微硬度测试仪(型号MH-5)对涂层横截面的显微硬度进行测试，外加载荷为500g，持续时间为15s。在球-盘式高温摩擦磨损试验机(HT-1000)上进行TA2基体和复合涂层不同温度下的摩擦学试验，摩擦对偶件选用直径为4mm的Si3N4陶瓷球，磨损参数为：旋转半径1.5mm,旋转线速度760m•s-1,载荷6N,试验时间30min,利用自带的表面轮廓仪测量磨痕深度与磨损体积。

    3结果与讨论

    3.1涂层物相与显微组织分析

    图1为激光熔覆复合涂层的表面形貌和横截面SEM照片。由图1(a)可以看出复合涂层表面无明显气孔和裂纹，宽度约为5mm，涂层与基体结合良好。在激光熔覆过程中，熔池具有和自然对流相同的强制对流。强制对流在熔池的左测为逆时针方向，在右测为顺时针方向。当熔池中没有低熔点的表面活性元素（Ni,Co等）时，熔融表面膨胀很大，涂层形貌略呈凹陷状[8]。由于热影响区的冷却速度超过了钛合金临界冷却速度200℃/s，发生马氏体转变，由图1(b)可以看出热影响区出现了针状马氏体[9,10]。

    激光熔覆复合涂层的XRD图谱如图2所示。根据XRD图谱分析，涂层中的物相主要分为三类：软质相基体α-Ti；增强相TiC、(Ti,W)C1-x和自润滑相Ti2SC、TiS。推测Ti-TiC-WS2激光熔覆过程中，物相的形成过程可能如下。由于WS2具有较低的熔点（510℃），在激光束的照射下预置粉末中的WS2会最先分解，随后Ti融化，TiC会逐渐溶解于Ti液相。从TiC-C平衡相图[11]分析可知，当TiC析出时，TiC中的Ti原子与C原子不再满足1:1的关系。过量的C元素会与熔池中的W元素发生反应形成WC，之后和TiC生成单一固溶体(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。最终熔池中的Ti凝固为基体α-Ti。

    图2激光熔覆复合涂层XRD谱

    图3为Ti-TiC-WS2复合涂层上部和中部典型组织SEM图片，表1为图3中不同区域EDS结果。涂层的上部显微组织主要由黑色块状组织A，胞状组织B以及连续基体C组成，涂层的中部组织由黑色块状组织D、白色团状组织E、连续基体F和白色长杆状组织G组成。结合XRD、EDS中各典型组织的元素含量推断：连续基体C、F主要为α-Ti，填充在其他组织中间起到粘结、增韧作用；黑色块状组织A、D主要为TiC；白色胞状组织B、E主要为(Ti,W)C1-x；白色长杆状组织G主要为Ti2SC。图4为激光熔覆复合涂层横截面的显微硬度曲线。从图4中可以看出涂层的平均显微硬度有了很大的提升，约为1052.3HV0.5。碳化物TiC和(Ti,W)C1-x可提高复合涂层的硬度和耐磨性，硫化物Ti2SC具有良好的自润滑效果[13]。

    3.2摩擦系数与磨损率

    图5和图6是基体和复合涂层在不同温度下的摩擦系数和磨损率。复合涂层在250℃具有最低的摩擦系数(0.257)和磨损率（8.586×10-5mm3/Nm）

    3.3室温和高温磨损机理

    图7为基体和涂层的磨损形貌以及磨屑形貌图片。从图7(a)可以看出，基体磨损表面出现严重的塑性变形和犁沟。从图7(b)可以看出，当温度为250℃时，TA2合金表面的塑性变形有所减轻，根据表2中A、B、C磨损表面EDS分析可知，基体表面含有较多的O元素，这表明磨损表面形成了大量的氧化膜，起到了减摩抗磨的效果。从图7(c)和图8(c)中可以看出，室温下涂层的磨损表面出现轻微的塑性变形、黏着痕迹和粉末状的磨屑。在摩擦过程中，硬质相TiC和(Ti,W)C1-x可增加对偶件压入的抵抗能力，同时原位生成的硫化物Ti2SC形成润滑转移膜，起到了润滑作用。磨损机理为粘着磨损和轻微的塑性变形。

    4结论

    a.利用激光熔覆技术在TA2合金表面成功制备出钛基高温自润滑耐磨复合涂层，涂层质量良好、无缺陷，涂层的显微硬度约1052.3HV0.5。相比基体，复合涂层在250℃具有最低的摩擦系数(0.257)和磨损率（8.586×10-5mm3/Nm）。

    b.在室温下复合涂层的磨损机理主要为粘着磨损和轻微塑性变形；250℃时复合涂层的磨损机理主要为粘着磨损、轻微的氧化磨损和磨粒磨损。

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    作者简介：王勉（1993-），男，硕士研究生，从事新型材料的力学性能研究；电话：15527969162；Email:815065090@qq.com

    通讯作者：刘秀波（1968—），男，博士，教授，主要研究方向为激光材料加工、表面工程与摩擦学电话：13451661263；Email:liuxiubosz@163.com