TA2合金激光熔覆钛基高温自润滑耐磨复合涂层研究

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采用先进的激光熔覆技术,在钛合金表面制备陶瓷相增强金属基复合涂层可以有效提高钛合金表面硬度及耐磨性能。目前,已有许多相关研究采用此种方法改善钛合金摩擦学性能,但涂层在不宜采用润滑介质的环境下会表现出较高的摩擦系数,加剧对涂层本身及对偶件的磨损,降低零件的使役寿命。而制备有良好的减摩耐磨性能复合涂层无疑是一种经济、有效、可靠的方法。本课题以Ti粉、TiC粉、WS2粉为原料,采用激光熔覆技术在TA2合金表面制备出Ti-TiC耐磨复合涂层和Ti-TiC-WS2高温自润滑耐磨复合涂层。采用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)等材料表征手段对熔覆涂层的物相结构和显微组织进行表征,对所制备涂层的物相及组织进行分析,确定其物相组成,形成机制和显微组织结构,利用显微硬度计测试涂层沿层深方向的硬度分布。利用高温摩擦磨损试验机对Ti-TiC耐磨复合涂层室温下摩擦学性能与Ti-TiC-WS2高温自润滑耐磨复合涂层不同温度(室温、250 ℃、500 ℃)、不同载荷(3 N、6 N、9 N)下激光熔覆涂层的摩擦学性能进行研究,并采用SEM、EDS、原子力显微镜(AFM)分析其磨损表面,深入系统地研究其磨损机理。试验结果表明:两种熔覆层内部组织均没有出现裂纹、气孔等缺陷,涂层与基体呈现出良好的冶金结合。激光熔覆Ti-TiC复合涂层主要由α-Ti和TiC物相组成,TiC陶瓷相在涂层中分布致密且均匀,涂层的平均显微硬度为1162 HV0.5,约为TA2基体(190 HV0.5)的6倍。激光熔覆Ti-TiC-WS2复合涂层主要物相为α-Ti、TiC、(Ti,W)C1-x、Ti2SC和少量TiS组成,其中TiC、(Ti,W)C1-x为增强相,Ti2SC、TiS为自润滑相,添加了 WS2后的激光熔覆Ti-TiC-WS2涂层的平均显微硬度略有下降,并且随着WS2粉末含量的减少而升高,添加30.6%WS2的涂层平均显微硬度最高(1052.3HV0.5),这与涂层中的硬质相TiC和(Ti,W)X1-x含量有关。激光熔覆Ti-TiC耐磨复合涂层室温下摩擦系数高于TA2基体,没有表现出减摩作用,但其磨损率远低于TA2基体,降低了约12倍,表现出优秀的耐磨性能;由于激光熔覆Ti-TiC-WS2复合涂层中新生了 Ti2SC、TiS自润滑相,提升了复合涂层的减摩性能。随温度的升高,涂层的摩擦系数先降低后升高,磨损率逐渐降低。其中添加34.8%WS2的涂层在室温、250 ℃、500℃下摩擦系数均低于基体和其他涂层,分别为0.32、0.257、0.339,且在500 ℃下具有较低的磨损率4.87×10-6mm3/Nm,约为基体的2.3%,呈现出优异的高温减摩耐磨性能。不同载荷下,激光熔覆Ti-TiC-WS2复合涂层摩擦系数随着载荷的增大先减小后增大,磨损率逐渐增大,3 N、6 N时呈现出优异的耐磨减摩性能。
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