TC4鈦合金表面激光熔覆Ti-Al涂層研究

孫永爍 溫道勝 錢春光 張銘浩 呂慶華 張明遠 王守仁 汪鑫偉

DOI：10.3976/j.issn.1002-4026.20230112

收稿日期：2023-07-21

基金項目：山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程（2022TSGC2215）；山東省自然科學基金青年基金項目（ZR2022QE068）；山東省自然科學基金面上項目（ZR2023ME043）；黑龍江省自然科學基金項目（YQ2020E014）

作者簡介：孫永爍（1996—），男，碩士研究生，研究方向為TiAl合金激光熔覆。E-mail：1203087166@qq.com

*通信作者，溫道勝，男，副教授，研究方向為金屬表面強化和塑性變形機理。E-mail： me_wends@tom.com

摘要：鈦合金具有密度低、比強度高和耐腐蝕性強等優(yōu)異性能，因而被廣泛應用于航空航天中，鈦合金使用占比成為衡量航空航天設(shè)備是否先進的標準之一。由于該合金硬度低、耐磨性差，因此微動磨損成為鈦合金零件失效的重要原因之一。為了提高鈦合金的抗微動磨損性能，采用激光熔覆技術(shù)在TC4鈦合金表面制備涂層。實驗結(jié)果表明，激光熔覆Ti-Al粉末能改善TC4鈦合金硬度和耐磨性能。

關(guān)鍵詞：TC4鈦合金；激光熔覆；抗氧化；耐磨涂層

中圖分類號：TB31??? 文獻標志碼：A??? 文章編號：1002-4026（2024）03-0055-11

開放科學（資源服務(wù)）標志碼（OSID）：

Laser cladding Ti-Al coating on TC4 titanium alloy surface

SUN Yongshuo1， WEN Daosheng1*， QIAN Chunguang1， ZHANG Minghao1， L Qinghua1，

ZHANG Mingyuan1， WANG Shouren1， WANG Xinwei2

（1. School of Mechanical Engineering， Jinan University， Jinan 250014， China; 2. Institute of Space Environment

and Material Science， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract∶Titanium alloys possess excellent properties like low density， high specific strength， and corrosion resistance. So， these alloys are widely used in the aerospace. With the development of aerospace， the usage ratio of such alloys is one of the criteria to measure whether the aerospace equipment is advanced or not. Because these alloys show low hardness and wear resistance， fretting wear becomes an important cause for the failure of titanium alloy parts. To improve the fretting wear resistance， laser cladding was used to produce a coating on the surface of TC4 alloy in this study. The results showed that the hardness and wear resistance of TC4 alloy were improved by laser cladding Ti-Al powder.

Key words∶TC4 titanium alloy; laser cladding; antioxidation; wear-resistant coating

航空、航天領(lǐng)域的飛速發(fā)展對材料性能提出了更高要求，鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕性好、生物相容性好等特點。尤其在航空航天領(lǐng)域，鈦合金出色的強度和低密度可以大大降低材料成本，且能長期服役于-250 ℃的低溫和550 ℃高溫環(huán)境中。但硬度低、耐磨性差等缺點導致它對微動磨損極為敏感，易發(fā)生黏著磨損、磨粒磨損、氧化磨損和微動腐蝕等，造成壓氣機葉片失效斷裂，因此需要提高鈦合金的表面性能［1］。激光熔覆相比于其他表面改性技術(shù)，具有與基材結(jié)合強度高、粉末選擇范圍廣、可生成非平衡凝固組織等特點，且具有較高的性價比，適用于在金屬表面制備防護性涂層［2］。

在眾多的金屬間化合物材料中，Ti-Al系金屬間化合物具有密度低、比強度和比模量高、阻燃性能好等特點，被認為是一種在航空和航天中具有應用前景的輕質(zhì)耐高溫材料，其密度與純鈦相近，硬度、耐磨性能、抗高溫蠕變性和高溫抗氧化性比鈦更高［3-6］。鈦鋁金屬化合物物相主要包括Ti3Al、TiAl和TiAl3，以鈦鋁化合物為基體的復合材料在很大程度上能夠發(fā)揮其性能優(yōu)勢，已成為當前的一個研究熱點。賀文雄等［7］采用激光熔覆技術(shù)在Q235鋼表面熔覆鈦、鋁粉末，通過鈦、鋁反應獲得了Ti-Al金屬間化合物復合涂層，分析了熔覆涂層的物相、成分和組織，制備的熔覆層大大提高了基體的顯微硬度和耐蝕性能。張曉偉等［8］使用激光熔覆方法熔覆Ti粉末和AlN粉末，通過激光在鈦合金表面原位合成了TiN/Ti3Al基金屬間化合物的復合涂層，分析并討論了激光功率能量密度對熔覆層物相含量、顯微組織的影響，涂層平均硬度較基體提高了3倍。趙欣鑫等［9］采用激光熔覆工藝，使用Ti4822粉末制備出與TC4鈦合金界面相容性好并滿足強韌耐磨、高穩(wěn)定的Ti-Al金屬間化合物涂層，結(jié)果表明涂層內(nèi)無裂紋和氣孔，涂層的硬度較基體得到了顯著的提升。周璇等［10］采用激光熔覆工藝在TC4基體表面制備了TiAl涂層，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫氧化性能。Dai等［11］采用激光表面合金化方法，在鈦合金表面上制備出了Ti-Al-Nb熔覆層，結(jié)果表明加入Nb元素后，減少了涂層的開裂，且有細化組織晶粒的作用。經(jīng)過高溫氧化后，發(fā)現(xiàn)Nb元素的加入不僅提高了氧化膜與涂層表面的黏附性，同時促進了涂層氧化膜的形成，Ti-Al-Nb涂層在800 ℃表現(xiàn)出了良好的抗氧化性。以上研究表明，利用激光熔覆技術(shù)可以在鈦合金表面制備Ti-Al涂層。同時發(fā)現(xiàn)，微動磨損失效是航空航天用TC4鈦合金零部件的主要失效形式之一［12-13］。然而，目前關(guān)于TC4鈦合金表面激光熔覆制備Ti-Al涂層，在微動磨損方面缺少系統(tǒng)的研究，其微動磨損機理尚不清楚。

本文利用激光熔覆技術(shù)在TC4鈦合金表面制備Ti-Al涂層，通過微動摩擦磨損實驗研究基體和涂層的微動摩擦學特性，利用白光干涉儀、掃描電子顯微鏡等分析基體和涂層在微動磨損后的微觀形貌、三維形貌、磨痕尺寸和犁溝深度等，最終揭示該合金基體及涂層的微動磨損機理。

1? 實驗材料及方法

實驗基材采用TC4鈦合金，熔覆材料為Ti-Al粉末，采用機械混合的方式混合粉末，其粉末質(zhì)量配比為1：1。實驗采用LAM400S熔覆設(shè)備（山東雷石智能制造股份有限公司），用同步送粉的方式進行激光熔覆。掃描速度v1=400 mm/min，光斑直徑d=1 mm，搭接率為30%，送粉速度v2=0.4 r/min，激光功率P=1 200 W，充入氬氣保護。

在激光熔覆試樣上截取10 mm×10 mm×8 mm試樣，其熔覆層表面經(jīng)過清理。采用MFT-5000微動摩擦磨損試驗機（南京冉銳科技有限公司）進行微動摩擦磨損實驗，采用球與平面的接觸方式，其中對磨球材料是GCr15鋼。微動的主要參數(shù)如表1所示。試樣磨損表面的三維形貌、磨痕尺寸、犁溝深度通過白光干涉儀進行測量分析。微觀形貌和元素分析通過掃描電子電鏡（SEM）和X射線能譜儀（EDS）進行表征。

2? 實驗結(jié)果與討論

2.1? Ft-D曲線圖分析

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制TC4鈦合金的Ft-D曲線圖，如圖1所示。位移幅值D=80 mm，往復頻率f=20 Hz條件下，涂層與基體在不同法向載荷（Fn）下的Ft-D曲線隨循環(huán)次數(shù)（N）的變化規(guī)律。從圖1（a）～1（d）中可以看出，F(xiàn)n=40 N時，涂層的Ft-D曲線為平行四邊形，表現(xiàn)為完全滑移。在完全滑移狀態(tài)下，磨損形式是以磨粒磨損為主，伴隨有黏著磨損、氧化磨損、疲勞磨損、塑性流動。在Fn=80 N時，涂層的Ft-D曲線為橢圓形，表明微動狀態(tài)為混合滑移。在Fn=120和160 N下，涂層的Ft-D曲線為直線，其微動狀態(tài)為部分滑移，磨損比較輕微，損傷主要存在于摩擦副的接觸邊緣，磨損形式以磨粒磨損、氧化磨損為主，伴隨有黏著磨損，沿摩擦副運動方向的位移幅度小。從圖1（e）～1（h）中可以看出，在Fn=40 N時，基體的Ft-D曲線為平行四邊形，表明微動狀態(tài)為完全滑移。Fn=80 N時，基體的Ft-D曲線為橢圓形，表明微動狀態(tài)為混合滑移。當Fn=120和160 N時，基體的Ft-D曲線為直線，表明微動狀態(tài)為部分滑移。產(chǎn)生部分滑移的原因是，在較高的載荷下，摩擦副接觸界面的相對滑動難度較大。

在頻率和位移幅值一定的條件下，不同的法向載荷下可以得到TC4鈦合金不同的運動工況。主要以部分滑移為主，因此載荷對TC4鈦合金的微動運行行為具有顯著的影響。

2.2? 摩擦系數(shù)分析

TC4鈦合金微動磨損過程中摩擦系數(shù)的變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，涂層和基體的摩擦系數(shù)在早期呈上升趨勢，隨后逐漸下降，趨于穩(wěn)定。這是由于TC4鈦合金磨損初期表面的完整性較好，同時由于氧化膜的存在導致摩擦系數(shù)比較小。經(jīng)過一段時間，TC4鈦合金表面的完整性和氧化膜逐漸被破壞，摩擦系數(shù)上升，隨后逐漸趨于平滑，這是由于摩擦副接觸界面之間產(chǎn)生黏著磨損，摩擦系數(shù)上升；當隨著磨屑的產(chǎn)生和增加，磨屑充當固體潤滑劑，黏著變小，摩擦系數(shù)降低，然后磨屑被排出，摩擦系數(shù)上升，從而導致摩擦系數(shù)的波動，當磨屑的產(chǎn)生和排出速率相同時，摩擦系數(shù)開始變得平穩(wěn)。在低載荷和高載荷時，摩擦曲線出現(xiàn)明顯的分層，這是由于接觸應力狀態(tài)決定的，低載荷時接觸區(qū)是彈性形變，而高載荷時接觸區(qū)是塑性形變，由于材料的剛度大更容易產(chǎn)生黏著。

由圖2（a）可知，涂層隨著法向載荷的加大，其摩擦系數(shù)降低。當Fn= 40 N時，摩擦系數(shù)曲線發(fā)生了劇烈的波動，說明材料發(fā)生了嚴重的黏著磨損，摩擦系數(shù)為0.52。當Fn=80、120、160 N時，摩擦系數(shù)曲線波動較小，摩擦系數(shù)分別穩(wěn)定在0.47、0.18和0.10?？梢钥闯?，摩擦系數(shù)是逐漸降低的，這主要是因為：（1）在Fn較小時，兩摩擦副的接觸表面之間主要為凸峰接觸，此時接觸面積相對較?。浑S著Fn逐漸增大，兩摩擦副之間的接觸面積也隨之增加，且其增加的速率要大于Fn的增加速率，從而使得摩擦力減小，進而導致涂層的摩擦系數(shù)降低；（2）隨著Fn的增大，兩摩擦副之間的接觸區(qū)尤其是凸峰的接觸點處的局部應力增加，導致材料出現(xiàn)疲勞脫落現(xiàn)象，從而在接觸區(qū)域形成的磨屑量相對較多，進而降低了其摩擦系數(shù)。

由圖2（b）可知，基體在Fn= 40 N時與涂層的系數(shù)相近，摩擦系數(shù)為0.52。在載荷Fn= 80、120和160 N下，其摩擦系數(shù)分別為0.5、0.38和0.25，比涂層的摩擦系數(shù)大?？梢钥闯觯繉拥哪湍バ缘玫搅嗽鰪?。

2.3? 微動磨損形貌分析

在微動磨損過程中，GCr15表面對涂層和基體表面產(chǎn)生切削作用，在切削的過程中涂層表面產(chǎn)生了大量的磨屑。

圖3（a）～3（d）分別是載荷Fn=40、80、120和160 N下基體的微觀形貌。對比涂層和基體分析發(fā)現(xiàn)Fn=40 N下，基體的表面存在大量的磨屑，產(chǎn)生黏著磨損，這是由于在完全滑移狀態(tài)下，產(chǎn)生的切向力對基體的表面進行切削。圖4為基體在不同法向載荷下的EDS能譜圖，結(jié)合圖4中的（a）、（b）（對應圖3中1、2點）分析發(fā)現(xiàn)，在中心和邊緣處均含有氧元素和鐵元素，產(chǎn)生氧化磨損和黏著磨損。

在法向載荷Fn=80 N下，基體表面存在犁溝和剝落坑，這是因為鈦合金表面冷作硬化使摩擦副表面產(chǎn)生嚴重的塑性變形，金屬表面位錯增加，導致剝落坑的出現(xiàn)，其運動工況為混合滑移，有小幅度的滑移，出現(xiàn)犁溝。結(jié)合圖4中的（c）、（d）（對應圖3中3、4點）分析發(fā)現(xiàn)，TC4鈦合金的氧元素在中心和邊緣處的含量比較高，而在邊緣處的鐵元素含量要高于中心處的鐵元素含量，說明黏著產(chǎn)生的磨屑通過其相對滑移，將在中心處產(chǎn)生的磨屑轉(zhuǎn)移到邊緣處。其磨損機理主要是磨粒磨損、黏著磨損、氧化磨損和疲勞磨損。

在法向載荷Fn=120 N下，中心處磨損較輕，存在少量的剝落坑。邊緣處有磨屑的堆積，且存在剝落坑。結(jié)合圖4（e）和（f）（對應圖3中5、6點）分析發(fā)現(xiàn)，在中心和邊緣處都存在大量的氧元素，且邊緣處的鐵元素高于中心處的鐵元素，可以看到明顯的磨屑的堆積，這是由于在中心處產(chǎn)生較大的接觸應力，從而產(chǎn)生大量的磨屑，這些磨屑通過混合滑移從中心轉(zhuǎn)移至邊緣，并不斷地堆積，說明其磨損機理為疲勞磨損、氧化磨損、黏著磨損和磨粒磨損。

在法向載荷Fn=160 N下，中心處磨損較輕，出現(xiàn)了剝落坑和沿微動方向的犁溝。在磨痕邊緣處，碾壓和黏著痕跡加重，且在邊緣處出現(xiàn)了磨屑的堆積，這是由于發(fā)生了部分滑移。在高加載力下，磨屑被壓實，并且在邊緣處出現(xiàn)了剝落坑和疲勞裂紋，發(fā)生了疲勞磨損。在法向力和切向力交變作用下，兩個相對運動的摩擦副表面產(chǎn)生塑性變形，導致疲勞裂紋產(chǎn)生，隨著裂紋的不斷擴展，又出現(xiàn)了剝落坑。結(jié)合圖4（g）和（h）（對應圖3中點7、8）分析發(fā)現(xiàn)，鈦合金表面含有大量的氧元素，且鐵元素含量很低，這是由于鈦合金基體硬度比摩擦副GCr15低得多，摩擦副表面出現(xiàn)了黏著現(xiàn)象，鈦合金產(chǎn)生的磨屑向摩擦副轉(zhuǎn)移，其磨損機理主要是黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

圖5（a）～5（d）分別是載荷Fn=40、80、120和160 N下涂層的微觀形貌。在Fn= 40 N時處于完全滑移區(qū)，此狀態(tài)下涂層表面產(chǎn)生剝落層，出現(xiàn)高低起伏的現(xiàn)象，并發(fā)生黏著磨損，同時在法向載荷的作用力下，切削過程中產(chǎn)生的磨屑被壓實。圖6為涂層在不同法向載荷下的EDS能譜圖，通過圖6（a）、（b）（對應圖5中1、2點）分析發(fā)現(xiàn)，鐵元素和氧元素含量高，產(chǎn)生了氧化磨損。對于Fn= 40 N，微動運行于完全滑移區(qū)的磨損機理主要是黏著磨損和氧化磨損。

在Fn= 80 N時處于混合滑移區(qū)，涂層產(chǎn)生了沿運動方向的犁溝，說明發(fā)生了磨粒磨損和黏著磨損，這是因為摩擦副的接觸面相互摩擦產(chǎn)生磨粒，產(chǎn)生的磨粒在摩擦副相對運動所產(chǎn)生的高溫作用下被氧化，在法向力作用下使磨粒壓入涂層表面，然后在切向力作用下沿運動方向切削涂層表面，劃出犁溝。通過圖6（c）、（d）（對應圖5中3、4點）分析發(fā)現(xiàn)，在磨痕邊緣和磨痕中心處發(fā)現(xiàn)其含氧量較高，發(fā)生了氧化磨損，可以推斷出，在此載荷下其磨損機理主要是黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

在Fn=120和160 N時處于部分滑移區(qū)，在此狀態(tài)下基本不發(fā)生相對滑移，黏著作用較強，產(chǎn)生了較多的磨屑，然后在法向載荷的作用下，產(chǎn)生的磨屑被壓實從而出現(xiàn)了磨屑堆積的現(xiàn)象。通過圖6（e）、（f）（對應圖5中5、6點）分析發(fā)現(xiàn)，涂層含有大量的氧元素，說明產(chǎn)生氧化磨損。其磨損機理主要是磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損。Fn=160 N時涂層表面存在犁溝，說明存在磨粒磨損，根據(jù)圖6（g）、（h）（對應圖5中7、8點）分析可以看出，磨痕邊緣含有氧元素，中心處只含有氧元素，其磨損機理主要是黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

綜上所述，對于激光熔覆涂層的試樣，在微動運行于部分滑移區(qū)時，其磨損機理主要是黏著磨損和氧化磨損，處于混合滑移區(qū)和完全滑移區(qū)，其主要磨損機理相同，為黏著磨損、磨粒磨損和氧化磨損。

在微動摩擦磨損過程中，其磨損機理主要以磨粒磨損為主，針對這種現(xiàn)象，對磨粒磨損過程中的磨粒的相類型及其尺寸變化進行了分析。在Fn=80 N下其平均磨粒尺寸為11.3 μm，在Fn=120 N下其平均磨粒尺寸為9.6 μm，在Fn=120下其平均磨粒尺寸為3.2 μm。圖7為涂層在法向載荷120 N下的磨損坑微觀形貌及元素分布圖。涂層在法向載荷120 N下的微動磨損中，磨粒磨損是其主要的磨損形式，如圖7所示。根據(jù)EDS能譜分析可知，磨粒的相組成主要是Al2O3。

2.4? 磨痕深度

涂層和基體在不同法向載荷（Fn）下的磨損表面形貌如圖8和圖9所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，涂層和基體的磨痕深度與其運動狀態(tài)有關(guān)?；w在Fn=40 N時，切向微動處于完全滑移區(qū)，從圖8（a）中磨損表面的三維形貌可以看出，在試樣表面形成了較深的圓形壓痕，磨損較為均勻，并存在磨屑，產(chǎn)生了黏著磨損，其最大磨痕深度為24 μm，磨痕深度曲線呈現(xiàn)W形。當Fn=80 N時，切向微動處于混合滑移區(qū)，從圖8（b）中三維形貌可以看出，磨痕深度逐漸降低，最大磨痕深度為21 μm，當Fn=120和160 N時，切向微動處于部分滑移區(qū)，從圖8（c）、（d）中三維形貌可以看出，當基體在Fn=120 N時中心處出現(xiàn)凹坑，并且磨屑在凹坑周圍堆積，最大磨痕深度為18 μm。當Fn=160 N時的三維形貌與Fn=120 N時形貌類似，最大磨痕深度為15 μm，且磨痕深度曲線均為U型。當切向微動運行于混合滑移區(qū)和部分滑移區(qū)時，最大磨痕深度主要受到Fn影響，最大磨痕深度隨著Fn的增加而減小，這是由于在法向載荷和切向力共同作用下基體表面材料脫落，產(chǎn)生的磨屑加劇基體的磨粒磨損，產(chǎn)生了較深的磨痕。隨著法向載荷的增加，基體的損傷主要是壓痕引起的，因此最大磨痕深度逐漸減小。

對于涂層試樣，如圖9所示，其最大磨痕深度與基體具有類似的變化規(guī)律。當Fn=40 N時，最大磨痕深度為19 μm，此時切向運動處于完全滑移區(qū)，涂層的磨痕深度低于基體的磨痕深度，這是因為涂層的耐磨性得到提高，使其磨損程度減輕，在宏觀上表面出磨痕深度較淺的特征。當Fn=80 N時最大磨痕深度為26 μm。當Fn=120 N時，最大磨痕深度為23 μm，此時切向運動處于部分滑移區(qū)和混合滑移區(qū)，在切向力和較大的法向力的作用下，由于涂層的硬度得到提升，產(chǎn)生的磨屑加劇了涂層的磨粒磨損，最大磨痕深度高于基體的磨痕深度。當Fn=160 N時，最大磨痕深度為13 μm，此時涂層磨痕深度主要是壓痕引起的，涂層的磨痕深度較淺。

3? 結(jié)論

通過涂層和基體的微動摩擦磨損實驗發(fā)現(xiàn)，在Fn= 40 N時，涂層與基體的磨損形貌相差不大，表面均產(chǎn)生大量磨屑，磨損機制均為黏著磨損和氧化磨損，涂層的磨痕深度低于基體的磨痕深度。在Fn=80、120、160 N時，涂層的磨損表面較為平整，其磨損程度較輕，而基體的損傷主要集中在邊緣附近，且發(fā)生了疲勞磨損，并且在相同載荷下，基體的磨痕相對較大，產(chǎn)生的磨屑多。因此，通過激光熔覆Ti-Al粉末，TC4鈦合金表面耐磨性能和硬度得到改善。

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