摘要：为提升Ti6Al4V合金的摩擦学性能，研究并开发先进复合材料涂层新体系,选用（NiCr-40Al-20Si，wt.%）复合粉末在Ti6Al4V合金表面激光熔覆高温自润滑耐磨复合涂层。系统地分析了复合涂层的物相、显微组织结构和硬度。利用高温摩擦磨损试验机分别测试了Ti6Al4V合金和复合涂层在600℃的摩擦学性能，结果表明：复合涂层以Ti5Si3和Al3Ni2为增强相，Al3Ti和NiTi为复合涂层基体。相比基体，复合涂层具有更高的显微硬度（约850HV0.5）、更低的磨损率（约5.0×10-5mm3/Nm）和更低的摩擦系数（约0.42）。

    关键词：复合涂层；激光熔覆；TC4合金；高温摩擦磨损

    1引言

    钛合金因其耐腐蚀、耐热、耐低温性能好，同时具备比强度高、生物相容性好等优点，已在航空航天、船舶制造、医疗器械等领域得到不断扩展应用[1-2]。虽然其具有上述许多优点，但是也存在着摩擦磨损性能差、难以润滑、表面硬度低等缺陷，这极大地限制了它的广泛应用。采用先进的表面技术手段提高钛及其合金的硬度和耐磨性能成为解决这一问题的主要方法[3-5]。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改善钛合金表面性能[6-7]。激光熔覆具有以下特点[8]：

    (1)经济效益高，在低廉的金属基材上制备具有特定高性能的复合涂层，满足不同工况下零部件要求，节约稀有、贵重金属材料的使用，从而大幅度降低成本；

    (2)激光熔覆技术与先进的工业机器人技术相结合，可以实现高效的自动化生产，同时可以精确控制所制备复合涂层的厚度、稀释率、宽度，满足不同工件不同部位的要求；

    (3)激光熔覆过程中，高能量密度的激光束作用时间短，熔覆材料快速熔化凝固，复合涂层组织细小、致密；

    (4)激光熔覆技术操作相对简单，同时熔覆过程中不会产生对环境有害的污染物，噪音小，是一个满足可持续发展战略、绿色环保的先进表面改性技术。

    本文拟以NiCr-40Al-20Si复合粉末为原料，在钛合金（TC4）表面激光熔覆镍基高温自润滑耐磨复合涂层，并分析复合涂层的组织及在高温下的摩擦学性能。

    2实验材料和方法

    2.1实验材料

    基体材料为TC4合金（Ti-6.3Al-4.3V,wt%），尺寸为40mm×40mm×8mm，以40mm×40mm面为熔覆面。待熔覆面经砂纸打磨以去除表层氧化膜，之后置于无水乙醇中用超声波清洗，装袋密封备用。熔覆材料选用质量分数为NiCr-40Al-20Si的复合合金粉末，将粉末放入QM-3SP04行星球磨机球磨12h以混合均匀。使用甲基纤维素粘结剂将混合粉末预置在基体上，粉末厚度约为1.5mm，放入温度为120℃的干燥箱中保温4h。

    2.2实验方法

    激光熔覆试验采用激光制造研究所3kW半导体激光器（DLS-980.10-3000C，λ=1.064μm）进行。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：输出功率1.8kW，扫描速度4mm/s，光斑尺寸6mm×3mm。使用电火花线切割沿熔覆层横截面切取样块制成金相试样，用X射线衍射仪(XRD)分析涂层物相。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。采用日立S-4700场发射扫描电子显微镜(SEM)和自带的能谱分析仪(EDS)对涂层的显微组织结构和成分进行分析。TC4基体和复合涂层在600°C高温下进行摩擦学试验，在球-盘式高温摩擦磨损试验机(HT-1000)上进行，摩擦对偶件选用耐高温的Si3N4陶瓷球，直径为4mm，磨损体积由磨损试验机自带的轮廓仪自动计算得出，具体摩擦磨损实验参数见表1。

    3结果与讨论

    3.1复合涂层显微组织

    图1为复合涂层的XRD分析结果，可见涂层的主要物相有Ti5Si3、NiTi、Al3Ni2、Al3Ti和少许的Ti5Si4、Cr5Si3。图2(a)为复合涂层的横截面全貌（SEM），可见复合涂层的形状近似为“馒头状”，其厚度约为1.6mm，复合涂层无裂纹，仅有少量气孔。复合涂层与Ti6Al4V合金结合区如图2(b)所示，存在明显的熔合线表明复合涂层与钛合金呈良好冶金结合；由于冷却速度大于钛合金临界冷却速度200℃/s，热影响区出现针状马氏体[9,10]。图2(c)为复合涂层中部典型组织结构，可见其呈现等轴晶结构。图2(d)为图2(c)局部放大图，可见其主要由块状区域A、网格状区域B和灰色基体C组成，各区域的EDS能谱分析结果如图3所示，A主要由Ti和Si组成，原子比约为5:3，根据Ti-Si相图，Ti5Si3在所分析的物相中具有最高的熔点（2130℃），在熔池凝固过程中最先生成，故可推断A为Ti5Si3金属间化合物；B主要由Ni和Al组成，其原子比约为3:2，复合涂层基体主要由Al、Ti和Ni组成，结合XRD分析，可推断B为Al3Ni2金属间化合物，复合涂层基体主要为Al3Ti和NiTi的混合物。

    3结果与讨论

    3.1复合涂层显微组织

    图1为复合涂层的XRD分析结果，可见涂层的主要物相有Ti5Si3、NiTi、Al3Ni2、Al3Ti和少许的Ti5Si4、Cr5Si3。图2(a)为复合涂层的横截面全貌（SEM），可见复合涂层的形状近似为“馒头状”，其厚度约为1.6mm，复合涂层无裂纹，仅有少量气孔。复合涂层与Ti6Al4V合金结合区如图2(b)所示，存在明显的熔合线表明复合涂层与钛合金呈良好冶金结合；由于冷却速度大于钛合金临界冷却速度200℃/s，热影响区出现针状马氏体[9,10]。图2(c)为复合涂层中部典型组织结构，可见其呈现等轴晶结构。图2(d)为图2(c)局部放大图，可见其主要由块状区域A、网格状区域B和灰色基体C组成，各区域的EDS能谱分析结果如图3所示，A主要由Ti和Si组成，原子比约为5:3，根据Ti-Si相图，Ti5Si3在所分析的物相中具有最高的熔点（2130℃），在熔池凝固过程中最先生成，故可推断A为Ti5Si3金属间化合物；B主要由Ni和Al组成，其原子比约为3:2，复合涂层基体主要由Al、Ti和Ni组成，结合XRD分析，可推断B为Al3Ni2金属间化合物，复合涂层基体主要为Al3Ti和NiTi的混合物。

    3.2复合涂层的高温摩擦学性能

    图4为复合涂层横截面的显微硬度曲线,从图4中可以看出复合涂层的显微硬度（约850HV0.5）是Ti6Al4V合金（约350HV0.5）的2.5倍。图5为Ti6Al4V合金和复合涂层的600℃干滑动摩擦系数曲线，复合涂层的摩擦系数约为0.42，低于Ti6Al4V合金的摩擦系数（约0.52），但复合涂层的摩擦系数波动平稳，Ti6Al4V合金波动较大。Ti6Al4V合金和复合涂层的磨损轨迹曲线如图6所示，复合涂层和Ti6Al4V合金的600℃的磨损率如图7所示。复合涂层的磨损深度大约为80µm，低于Ti6Al4V合金的磨损深度（约120µm)。在复合涂层高硬度和高韧性的协同作用下，复合涂层的磨损率约为5.0×10-5mm3/Nm，其磨损率为Ti6Al4V合金的0.5倍，表明复合涂层的耐磨性是Ti6Al4V合金的2倍。

    4结论

    a.利用激光熔覆技术在TC4合金表面成功制备出钛基高温自润滑耐磨复合涂层，复合涂层质量良好无缺陷。

    b．复合涂层以Ti5Si3和Al3Ni2为增强相，Al3Ti和NiTi为复合涂层基体。相比基体，复合涂层在高温下具有更高的显微硬度（约850HV0.5）、更低的磨损率（约5.0×10-5mm3/Nm）和更低的摩擦系数（约0.42）。

    参考文献

    [1]WengF,ChenC,YuH.Researchstatusoflasercladdingontitaniumanditsalloys:Areview[J].Materials&Design,2014,58(6):412–425.

    [2]WuY,WangAH,ZhangZ,etal.LaseralloyingofTi-SicompoundcoatingonTi-6Al-4Valloyfortheimprovementofbioactivity[J].AppliedSurfaceScience,2014,305:16-23.

    [3]余鹏程,刘秀波,陆小龙,等.Ti6Al4V合金表面激光熔覆复合涂层的高温摩擦学性能研究[J].摩擦学学报,2015,35(6):737-745].

    [4]任佳,刘秀波,余鹏程,等.不同载荷下钛合金激光熔覆Ni60/h-BN自润滑耐磨复合涂层的摩擦学性能[J].摩擦学学报,2015,35(4):407-414].

    [5]王兰,王树奇,李新星,等.TC4合金干滑动磨损性能的研究[J].摩擦学学报,2015,35(5):629-634].

    [6]HanB,ZhangMK,QiCH,etal.Characterizationandfriction-reductionperformancesofcompositecoatingproducedbylasercladdingandionsulfurizing[J].MaterialsLetters,2015,150:35-38.

    [7]ZhangPL,LiuXP,LuYL,etal.MicrostructureandwearbehaviorofCu–Mo–Sicoatingsbylasercladding[J].AppliedSurfaceScience,2014,311(9):709-714.

    [8]姚建华.激光表面改性技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,2012.

    [9]XiangZF,LiuXB,RenJ,etal.Investigationoflasercladdinghightemperatureanti-wearcompositecoatingsonTi6Al4Valloywiththeadditionofself-lubricantCaF2[J].AppliedSurfaceScience,2014,313:243-250.

    [10]余鹏程,刘秀波,陆小龙,等.Ti6Al4V合金激光熔覆复合涂层的摩擦学和高温抗氧化性能研究[J].中国激光,2015,42(10):1003004].

    作者简介：

    周仲炎（1993-），男，硕士研究生，从事新型材料的力学性能研究；电话：15576846849；Email:azzy212@163.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