NiCrBSi+Ni/MoS2涂層在空間環(huán)境下的摩擦學(xué)性能

孫榮祿，牛 偉，李 濤，姜海富，姜利祥,，鄭慧奇

（1. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2. 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：天津 300387；

3. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；4. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

NiCrBSi+Ni/MoS2涂層在空間環(huán)境下的摩擦學(xué)性能

孫榮祿1,2，牛 偉1，李 濤3，姜海富3，姜利祥3,4，鄭慧奇3

（1. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；2. 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：天津 300387；

3. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；4. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

采用激光熔覆技術(shù)在TC4合金基體上制備了NiCrBSi+Ni/MoS2復(fù)合涂層，考察了該復(fù)合涂層在真空、原子氧輻照環(huán)境下的表面形貌及元素變化。利用真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別完成了干摩擦條件下2種環(huán)境的摩擦磨損性能測(cè)試。結(jié)果表明：NiCrBSi+Ni/MoS2復(fù)合涂層經(jīng)過(guò)原子氧輻照后，有部分元素被氧化及化合物分解的現(xiàn)象，但并沒(méi)有發(fā)生明顯的材料性能改變以及潤(rùn)滑涂層的破壞。與TC4合金相比，2種環(huán)境下該復(fù)合涂層均具有良好的潤(rùn)滑減摩效果，證明NiCrBSi+Ni/MoS2復(fù)合涂層具有一定的抗原子氧輻照的能力。

激光熔覆；鈦合金；原子氧輻照；摩擦學(xué)性能

0 引言

鈦合金具有高的比強(qiáng)度和優(yōu)異的抗腐蝕性能，是航空航天等領(lǐng)域十分重要的結(jié)構(gòu)材料。但是鈦合金存在摩擦系數(shù)大，耐磨性能差的缺點(diǎn)，在很大程度上限制了它的應(yīng)用范圍。激光熔覆是改善鈦合金摩擦磨損性能的有效手段之一。與其他表面改性技術(shù)相比，激光熔覆具有許多優(yōu)點(diǎn)：激光熔覆層與基材之間為冶金結(jié)合，結(jié)合力較強(qiáng)；冷卻速度快，熔覆層組織細(xì)小等[1]。目前，國(guó)內(nèi)外鈦合金激光熔覆的研究工作主要集中在 TiC[2]、WC[3]、Cr3C2[4]、TiB2[5]、SiC[6]等陶瓷相增強(qiáng)的金屬基耐磨復(fù)合涂層方面。通過(guò)添加固體潤(rùn)滑劑（如MoS2[7]、WS2[8]、h-BN[9]、CaF2[10]、TiSiC[11]等），制備金屬基自潤(rùn)滑耐磨復(fù)合涂層不僅具有較高的硬度和耐磨性能，而且具有優(yōu)異的減摩性能，從而滿足零部件在一些高溫、重載、高速等惡劣環(huán)境下的工作要求。通過(guò)原位合成具有潤(rùn)滑效果的新生相可以有效解決固體潤(rùn)滑劑在激光熔覆過(guò)程中的分解和飛濺，防止造成自潤(rùn)滑效果降低的問(wèn)題[12-13]。

近年來(lái)我國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展為鈦合金提供了廣闊的應(yīng)用前景，但空間環(huán)境的特殊性對(duì)材料的使用性能也提出了更高的要求，其中對(duì)摩擦磨損性能影響大的空間環(huán)境因素就是高真空和原子氧。例如，低地球軌道（LEO）是對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、空間站等航天器的運(yùn)行區(qū)域，其環(huán)境真空度為 10-8～10-5Pa，大氣成分主要有 N2、O2、Ar、He、H及O等，其中原子氧含量約占80%。因此，開(kāi)展真空和原子氧環(huán)境下涂層摩擦磨損性能的研究，對(duì)保證航天器運(yùn)動(dòng)部件工作的可靠性具有重要意義。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員考察了某些涂層在空間環(huán)境中的潤(rùn)滑性能[14-16]，結(jié)果表明：大部分有機(jī)涂層在原子氧及紫外線環(huán)境中均受到嚴(yán)重的侵蝕及降解，進(jìn)而失去潤(rùn)滑性能；某些金屬及金屬氧化物、硫化物的固體潤(rùn)滑涂層在空間環(huán)境中具有良好的自潤(rùn)滑性能。

本文利用激光熔覆技術(shù)在 TC4基材上制備了NiCrBSi+Ni/MoS2復(fù)合涂層（簡(jiǎn)稱熔覆涂層），考察熔覆復(fù)合涂層在真空、原子氧輻照環(huán)境下的表面形貌以及摩擦學(xué)性能的變化，旨在為鈦合金表面激光熔覆自潤(rùn)滑涂層及其在空間飛行器運(yùn)動(dòng)部件上的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

基材采用 TC4合金，其化學(xué)成分為（wt.%，下同）6.01Al、3.8V，其余為 Ti，試樣尺寸為50 mm×20 mm×20 mm，待熔覆表面磨削加工至粗糙度Ra= 0.2 μm，預(yù)置粉末前用金相砂紙打磨以去除氧化膜。熔覆材料采用NiCrBSi（天津鑄金科技開(kāi)發(fā)股份有限公司生產(chǎn)，牌號(hào)為 Ni60）自熔性合金粉末和Ni包MoS2（由成都核八五七新材料公司生產(chǎn)）的混合粉末，NiCrBSi與Ni/MoS2的質(zhì)量配比為2∶1 ，其中NiCrBSi化學(xué)成分為17.0Cr、3.5B、4.0Si、1.0C以及＜12Fe，其余為Ni，粒度為-140～+320目；Ni/MoS2粉末中Ni與MoS2的質(zhì)量比為3∶1，粒度為-200目。采用臥式行星混料機(jī)混粉8 h。將混合均勻的涂層材料用有機(jī)黏結(jié)劑（羥甲基纖維素和適量的水）調(diào)成糊狀，預(yù)置在 TC4基材的待熔覆表面，預(yù)置層厚度為 1.0 mm，然后放入真空箱中干燥。

激光熔覆試驗(yàn)采用TJ-HL-T5000 CWCO2激光器，試驗(yàn)參數(shù)為：激光功率P= 2.5 kW，掃描速度v= 6 mm/s，光斑直徑D= 4 mm，搭接率為40%。激光熔覆過(guò)程中采用氬氣保護(hù)以防止熔池氧化，氬氣流量為20 L/min。

利用 Olympus-GX51光學(xué)顯微鏡和QUANTA200型掃描電子顯微鏡觀察和分析涂層組織，利用能譜儀（EDS）分析涂層各物相的元素組成及變化。使用D8型X射線衍射分析儀分析涂層物相組成，主要參數(shù)：采用Cu靶材，加速電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描速度為20 (°)/min。

原子氧輻照試驗(yàn)在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所原子氧地面模擬實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行。原子氧輻照時(shí)間 5 h，原子氧束流密度 1.0×1016/(cm2·s)。采用SEM觀察原子氧輻照試樣的表面形貌，并對(duì)表面成分進(jìn)行分析。采用銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)完成涂層干摩擦條件下真空、原子氧輻照后的摩擦磨損性能測(cè)試。上試樣為淬火的 GCr15鋼，硬度為65HRC；下試樣為有熔覆涂層的鈦合金試樣，尺寸為φ9 mm×20 mm。試驗(yàn)條件：載荷F= 49 N，滑動(dòng)速度0.75 m/s，滑動(dòng)距離550 m。用感量為10-5g 的分析天平測(cè)量試樣磨損前后的質(zhì)量，并計(jì)算磨損體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 熔覆涂層的微觀組織

圖1為熔覆涂層的X射線衍射結(jié)果。對(duì)衍射峰標(biāo)定表明，熔覆層主要由γ-Ni、TiC、CrB和CrxSy等物相組成。涂層中出現(xiàn)新的硫化物 CrxSy，說(shuō)明Ni包MoS2在激光熔覆過(guò)程中發(fā)生分解，分解出來(lái)的S與Cr元素生成了不定比化合物CrxSy。此外，涂層中C、B元素與Ti、Cr生成TiC和CrB等硬質(zhì)相，有利于提高涂層的硬度。

圖1 熔覆涂層的XRD圖譜Fig. 1 XRD analysis results of the cladding coating

熔覆涂層主要由近球狀顆粒、塊狀顆粒、胞狀晶和共晶等物相組成，如圖 2所示，各物相 EDS成分分析如表1所示。SEM/EDS分析近球狀顆粒的主要成分為S和Cr，并含有一定量的Mo；塊狀顆粒的主要成分為Cr，并含有大量的B和C元素，表明其為Cr的C、B化合物；胞狀晶的主要成分為Ni，并含有少量的Cr、Fe、Si和Ti元素。結(jié)合XRD分析結(jié)果，近球狀顆粒主要為S和Cr元素形成的不定比化合物（CrxSy），胞狀晶為γ-Ni固溶體。

圖2 熔覆涂層的顯微組織Fig. 2 Microstructure image of the cladding coating

表1 熔覆涂層各物相的EDS化學(xué)成分分析結(jié)果（wt.%）Table 1 Element content of the components of the cladding coating by EDS (wt. %)

圖3、圖4和表2為原子氧輻照5 h后的熔覆涂層表面 CrxSy顆粒和熔覆層基體金屬的 SEM/EDS分析結(jié)果?？梢?jiàn)，原子氧輻照之后涂層形貌相對(duì)平整致密，未發(fā)生明顯的裂紋等損壞，CrxSy顆粒（圖3中“+”處）和熔覆層基體金屬中均含有一定量的氧元素，特別是CrxSy顆粒中含氧量高達(dá)11.83wt.%，而 S元素的含量相對(duì)減少，這說(shuō)明部分硫化物發(fā)生了氧化。

圖3 原子氧輻照5 h后CrxSy顆粒能譜Fig. 3 Spectrum pattern of CrxSy particle after 5 h atomic oxygen irradiation

圖4 原子氧輻照5 h后基體EDS能譜Fig. 4 Spectrum pattern of matrix after 5 h atomic oxygen irradiation

表2 EDS能譜分析結(jié)果（wt.%）Table 2 Spectrum analysis by EDS (wt. %)

2.2 熔覆涂層的摩擦磨損性能

圖5和圖6分別為TC4合金、NiCrBSi涂層和熔覆涂層在真空環(huán)境中的摩擦系數(shù)曲線和磨損體積對(duì)比?？梢?jiàn)：熔覆涂層的摩擦系數(shù)（0.25～0.35）明顯低于NiCrBSi涂層的（0.3～0.5）和TC4合金的（0.5～0.8）；熔覆涂層的磨損體積分別為NiCrBSi涂層和TC4合金的35.4%和14.5%。

圖5 TC4合金、NiCrBSi和熔覆涂層的摩擦系數(shù)曲線Fig. 5 Friction coefficient of TC4 alloy, NiCrBSi and the cladding coatings

圖6 TC4合金、NiCrBSi涂層和熔覆涂層的磨損體積對(duì)比Fig. 6 Wear volume of TC4 alloy, NiCrBSi and the cladding coatings

綜上所述，熔覆涂層明顯提高了 TC4合金的耐磨性，降低了其摩擦系數(shù)。主要原因：一方面是彌散分布的硬質(zhì)相使基體的晶粒細(xì)化，提高了基體的韌性，增強(qiáng)了基體的抗塑性變形能力，因而提高了耐磨性；另一方面是熔覆涂層中的CrB、TiC等硬質(zhì)相具有很高的硬度，減少了對(duì)磨偶件硬質(zhì)相磨粒對(duì)涂層的嵌入和切削作用，在摩擦過(guò)程中起到支撐作用；強(qiáng)、韌兩相結(jié)合使涂層具有較高的抗塑性變形、抗黏著和磨粒磨損的能力，使得涂層的耐磨性提高了。再者，涂層中的硫化物潤(rùn)滑相CrxSy在摩擦過(guò)程中形成潤(rùn)滑膜，減少了涂層與對(duì)磨偶件的直接接觸，從而使涂層具有較低的摩擦系數(shù)。

圖 7為原子氧輻照后熔覆涂層在真空環(huán)境中的摩擦系數(shù)曲線。可見(jiàn)，原子氧輻照后熔覆層的摩擦系數(shù)在0.30～0.40之間，略高于原子氧輻照前的摩擦系數(shù)（0.25～0.35）。原子氧輻照對(duì)熔覆層摩擦系數(shù)的影響具有雙重作用，一方面使熔覆層基體金屬氧化，這減少了摩擦副間的黏著，使摩擦系數(shù)降低；另一方面使CrxSy顆粒發(fā)生氧化，部分硫化物被氧化生成了氧化物，而氧化物的潤(rùn)滑性能相對(duì)CrxSy較差，這將導(dǎo)致熔覆層摩擦系數(shù)的增大。在這兩方面因素綜合作用下，熔覆層的摩擦系數(shù)有所提高。圖 8為原子氧輻照前后熔覆層磨損體積比較?？梢?jiàn)，原子氧輻照后熔覆層的磨損體積為0.26 mm3，較原子氧輻照前增加了18.2%。

圖7 原子氧輻照前后熔覆涂層摩擦系數(shù)曲線Fig. 7 Friction coefficient of the cladding coatings before and after atomic oxygen irradiation

圖8 原子氧輻照前后熔覆涂層磨損體積比較Fig. 8 Wear volume of the cladding coatings before and after atomic oxygen irradiation

3 結(jié)論

1）利用激光熔覆技術(shù)在TC4合金表面制備了NiCrBSi+Ni/MoS2涂層，涂層主要由近球狀CrxSy、塊粒CrB和γ-Ni固溶體組成。

2）熔覆涂層經(jīng)原子氧輻照5 h后，涂層中出現(xiàn)明顯的氧化現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)裂紋等損壞。S元素含量有所降低，但仍有CrxSy在摩擦副間起到潤(rùn)滑作用。

3）熔覆涂層的真空摩擦系數(shù)為0.25～0.35，原子氧輻照5 h后真空摩擦系數(shù)為0.30～0.40。表明該涂層在2種環(huán)境下均具有良好的抗磨減摩效果。

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Effects of space environment on tribological properties of NiCrBSi+Ni/MoS2coatings

SUN Ronglu1,2, NIU Wei1, LI Tao3,4, JIANG Haifu3,4, JIANG Lixiang3,4, ZHENG Huiqi3,4
(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University;2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology: Tianjin 300387, China;3. Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering; 4. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)

The NiCrBSi+Ni/MoS2composite coatings are prepared on the TC4 substrate by laser cladding technique. The surface morphology and the elemental composition of the composite coatings in the vacuum and after atomic oxygen irradiation are investigated. The friction and wear properties in two kinds of environments are determined by using the vacuum friction and wear tester. It is shown that after the atomic oxygen irradiation,some elements and compounds in the NiCrBSi+Ni/MoS2composite coatings are decomposed and oxidized, but exhibit no distinct change of the material properties or lubricant coating damage are found. Compared with TC4,the composite coating exhibits good lubrication and friction reduction in both kinds of environments. The results show that the NiCrBSi+Ni/MoS2composite coating has adequate ability to resist the atomic oxygen irradiation.

laser cladding; titanium alloy; atomic oxygen irradiation; tribological properties

TG456.7

A

1673-1379(2017)05-0533-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.014

2017-05-09；

2017-09-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：51371125）

孫榮祿, 牛偉, 李濤, 等. NiCrBSi+Ni/MoS2涂層在空間環(huán)境下的摩擦學(xué)性能[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017, 34(5):533-537

SUN R L, NIU W, LI T, et al. Effects of space environment on tribological properties of NiCrBSi+Ni/MoS2 coatings[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 533-537

（編輯：肖福根）

孫榮祿（1964—），男，教授，博士學(xué)位，主要從事激光材料加工技術(shù)方面的研究工作。E-mail: rlsun@tjpu.edu.cn。