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Ti6Al4V合金激光原位合成自润滑复合涂层的微结构与力学性能

周仲炎  
【摘要】:钛合金具有比强度高、生物相容性好、耐腐蚀性好和耐高温等性能优点,在海洋工程、航空航天、生物医疗等领域应用广泛,但钛合金的摩擦磨损性能较差,限制了其作为高温摩擦运动部件的广泛应用(如中介机闸、锻造钛风扇、压气机盘和叶片等),为改善钛合金的摩擦学性能,利用激光熔覆技术在钛合金表面制备高温自润滑耐磨复合涂层是有效的选择之一。目前,大多数单一固体润滑剂表现出了良好的自润滑效果,但对高温自润滑耐磨复合涂层在宽温域下进行研究的却不多,这是因为有些固体润滑剂在高温下会失效,而多种固体润滑剂的综合应用是解决此问题的一种选择。本文紧密结合国家自然科学基金(U1737112)、湖南省自然科学基金(2018JJ2677)和河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室开放基金(201803)开展研究,选用质量分数为Ni60-16.8%TiC-23.2%WS2(N1涂层)和Ni60-19.6%TiC-20.4%WS2(N2涂层)两种合金粉末为原材料,利用激光熔覆技术在Ti6A14V合金表面制备了两组高温自润滑耐磨复合涂层;应用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等系统地分析复合涂层的显微组织和物相;利用数显显微硬度计测试复合涂层和基体的显微硬度,并分析复合涂层的硬度强化机理;利用球-盘式高温摩擦磨损试验机和探针式材料表面磨痕测量仪分别测试基体和N1涂层、N2涂层在20,300,600,800℃下的摩擦系数与磨损率,并借助SEM、EDS、XRD深入系统地分析复合涂层在不同试验温度下的磨损机理。试验结果表明:N1涂层和N2涂层与基体结合良好,复合涂层内部无明显缺陷。N1涂层和N2涂层主要由三种类型的物相组成:固体润滑相TiS和NiS;固溶体(Cr,Ni);增强相TiC,Cr7C3和(Ti,W)C1-x。N1涂层和N2涂层的显微硬度分别为737.92HV0.5和839.87HV0.5,相比于基体的显微硬度(350HV0.5),有明显的提高,其原因主要是在激光熔覆过程中原位生成的增强相TiC,(Ti,W)C1-x和Cr7C3的弥散强化作用。N1和N2涂层在20~800℃下的磨损率和摩擦系数均低于Ti6A14V合金基体,表现出了优异的自润滑耐磨性。基体在20~800℃下的摩擦系数分别为0.53,0.50,0.45,0.43,磨损率分别为5.4×10-4,2.64×10-4,1.98×10-4,1.80×10-4mm3/Nm。N1涂层在20~800℃下的摩擦系数分别为0.44,0.39,0.38,0.32,磨损率分别为1.36X 10-4,5.94X 10-5,3.74X 10-5,2.92X 10-5 mm3/Nm。N2涂层在20~800℃下摩擦系数分别为 0.49,0.43,0.44,0.40,磨损率分别为 1.1×10-4,4.8×10-5,4.5×10-5,2.3×10-5 mm3/Nm。其中N1涂层在800℃下的磨损机理主要为氧化磨损和轻微的黏着磨损,N2涂层在800℃下的磨损机理主要为氧化磨损和轻微的三体磨料磨损。


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