超音速微粒沉積Ti-45Al-7Nb-4Cr涂層的摩擦學性能

朱 勝， 韓國峰， 王曉明， 周超極

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

超音速微粒沉積Ti-45Al-7Nb-4Cr涂層的摩擦學性能

朱 勝， 韓國峰， 王曉明， 周超極

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

針對鋁合金表面硬度低和易磨損的問題，采用超音速微粒沉積技術在5083鋁合金表面制備了Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層。利用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對涂層微觀形貌和物相組成進行了觀察和分析，并對比測試了5083鋁合金、Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層的顯微硬度和摩擦學性能。結果表明：Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層內部顆粒間存在冶金結合和機械嵌合2種結合方式，涂層與5083鋁合金基體的結合方式為機械嵌合；涂層主要相組成為γ-TiAl、α2-Ti3Al和β-Ti相；通過在5083鋁合金表面制備Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層，顯微硬度提高4倍以上，磨損體積減少69%以上；涂層的磨損機理為磨料磨損和氧化磨損，具有較好的耐磨性能。

超音速微粒沉積技術；Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層；5083鋁合金；磨損體積

5083鋁合金為中等強度鋁合金，具有優良的耐蝕、可焊和加工性能，廣泛應用于船底外板、肋骨、甲板、桅桿等船體主要結構[1]。在實際使用過程中通常與其他合金結構件配合使用，因受振動或構件間相對位移的影響，接觸件間易產生磨損。目前，常采用表面工程技術與方法進行防護，主要技術有：稀土轉化膜[2]、激光熔覆[3]、金屬鍍層處理(電鍍、化學鍍等)[4]、高能束表面改性[5]、等離子微弧氧化[6]和陽極氧化[7]等。但采用上述方法制備的防護層較薄，很難達到耐磨防護效果。

γ-TiAl基金屬間化合物具有低密度、高蠕變抗力和優異的耐蝕、耐磨性能，一直被作為潛在的輕質結構材料而進行研究[8-11]。然而，通過表面工程技術將其制備為耐磨防護層，用于材料表面修復強化的研究仍處于起步階段，如：李平等[12-14]采用超音速電弧噴涂技術在LY12鋁合金表面制備了TiAl合金復合涂層，研究發現涂層由TiN(TiO)、Al、Ti、TiAl和Ti3Al組成，孔隙率<2.8%，結合強度可達28 MPa，顯微硬度HV0.2= 631；Tsunekawa等[15]采用低壓等離子噴涂方法，將Ti粉和Al粉作為噴涂原材料，在低碳鋼基體上制備TiAl基合金涂層，涂層主要由Ti、Al和TiAl相組成。目前，制備的γ-TiAl基涂層中TiAl相含量低，降低了涂層使用性能。制約高質量TiAl基合金涂層制備的因素是其脆性和斷裂韌性較低[16-17]，難以直接采用γ-TiAl基粉體沉積成形。超高音速微粒沉積技術采用高速焰流攜帶固態顆粒形成超音速氣固雙相流，提高了噴涂顆粒的塑性變形能力，且顆粒的沉積溫度在熔點之下，可避免噴涂粉體發生氧/氮化，有利于形成高結合強度、低氧/氮化物夾雜的涂層。因此，本研究采用此技術在5083鋁合金表面制備γ-TiAl基Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層，用于鋁合金表面的磨損防護。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用真空自耗爐經3次熔煉制備γ-TiAl基Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠，而后采用惰性氣體霧化爐制備用于沉積成形的γ-TiAl基Ti-45Al-7Nb-4Cr合金粉體材料，選擇粒徑為45～65 μm的粉體作為噴涂粉體。基體材料為5083鋁合金板材，線切割為20 mm × 20 mm × 10 mm塊體材料，表面經噴砂、除油后，采用超音速微粒沉積技術制備Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層，涂層厚度為0.3 mm。

1.2 試驗方法

超音速微粒沉積涂層制備的主要工藝參數為：壓縮空氣壓力為0.7 MPa；丙烷壓力為0.5 MPa；噴涂距離為26 cm；氫氣流量為40 L/min；氬氣流量為40 L/min；送粉速度為62 g/min；噴涂線速度為1 000 mm/s。

采用Dutch PHILIPS公司生產的Quanta 200型環境掃描電子顯微鏡(SEM)觀察Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層原始表面和涂層與基體結合界面，分析涂層結合機理。采用日本理學公司生產的TTR Ⅲ多功能X射線衍射儀(XRD)分析涂層的物相組成，測試條件:Cu-kα靶;光管電壓為40 kV;電流為30 mA;掃描模式為連續掃描;掃描步長為0.02°;時間步長為0.6 s。采用CETR多功能摩擦磨損試驗機研究5083鋁合金、Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層的室溫干摩擦性能,其中：試驗摩擦副上試樣為φ3.969 mm的ZrO2陶瓷球，硬度為1 330 HV；下試樣為5083鋁合金和Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層試樣;試驗載荷為35、40、45、50 N;固定頻率為5 Hz;測試摩擦因數曲線。采用OLS-4000型三維形貌掃描儀觀察磨痕三維形貌，并測試基體、Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層體積磨損量。最后，在SEM下觀察磨痕微觀形貌，分析材料的耐磨性能和磨損機理。

2 試驗結果與分析

2.1 涂層表面微觀形貌

圖1為Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層表面微觀形貌。基于超音速微粒沉積技術的低溫特性，多數顆粒在沉積過程中未發生熔化，而完全依賴于噴涂顆粒的塑性變形，以機械嵌合的方式與底層涂層相結合，如圖1(a)所示。粒徑較大的Ti-45Al-7Nb-4Cr合金顆粒底部變形較大，呈堆塑狀，而顆粒頂端變形不明顯，仍保持原有的球形，如圖1(b)所示。這是由于超音速微粒沉積涂層制備過程溫度較低，顆粒塑性變形不充分導致的。少量粒徑較小的顆粒受焰流加溫作用影響升溫較快，達到了Ti-45Al-7Nb-4Cr合金熔化溫度，當飛行到涂層表面時發生熔化，沉積在涂層表面形成新生涂層，如圖1(c)中箭頭所指區域，此條件下元素由于熱作用易發生擴散現象，與底層涂層發生冶金結合。

超音速微粒沉積技術涂層制備過程中，多數噴涂顆粒不會發生熔化，其主要特點之一是后續沉積顆粒對已沉積涂層表面產生沖蝕和夯實作用。如圖1(d)中箭頭所示，即為部分涂層表層金屬受后續顆粒沖蝕作用影響被帶離涂層表面，發生了缺損現象。沖蝕作用還會使涂層表面嵌合的顆粒脫落，有利于提高涂層內聚強度。后續顆粒還具有夯實作用，如圖1(e)中箭頭所示，為后續顆粒對已沉積表面撞擊后留下的彈坑狀形貌，當撞擊點處涂層發生塑性變形，撞擊點處附近的顆粒也在撞擊過程中發生塑性變形，這有利于提高涂層的致密度。顆粒沖蝕和夯實作用的特點是:參與作用的顆粒會飛離涂層表面，而不形成新生涂層,雖然沉積效率降低，但能提高涂層的質量和致密度。

圖1 Ti-45Al-7Nb-4Cr涂層表面微觀形貌

2.2 涂層與基體界面微觀形貌

圖2為Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層與5083鋁合金基體界面微觀形貌，可以看出：界面交界線為曲線，凹凸不平，涂層與基體以機械嵌合方式相結合，同時界面附近涂層較為致密。這表明在界面附近噴涂顆粒發生了較明顯的塑性變形，有利于提高涂層與基體的結合強度和涂層的成形質量。由圖2還可以看出：涂層中有較多未完全變形的Ti-45Al-7Nb-4Cr合金A顆粒，這些顆粒底端靠近基體處變形較明顯，而頂端仍保持球狀。這是由于較大噴涂顆粒發生沉積時溫度低、塑性變形能力差導致的。

圖2 Ti-45Al-7Nb-4Cr涂層與基體界面微觀形貌

2.3 物相分析

圖3為Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層XRD圖譜，可見:涂層主要由γ-TiAl、α2-Ti3Al、β-Ti相組成，涂層中無氧化、氮化相。通過計算可得涂層的物相質量百分比：γ-TiAl相為84.6%、α2-Ti3Al相為8.0%、β-Ti相(B2相)為7.4%。采用超音速微粒沉積技術實現了低氧/氮含量Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層的制備。

圖3 Ti-45Al-7Nb-4Cr涂層XRD圖譜

2.4 顯微硬度測試

分別對5083鋁合金基體、Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層表面顯微硬度進行測試，測試結果如圖4所示。可以看出：1)Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層的顯微硬度較5083鋁合金基體提高了4倍以上；2)Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層顯微硬度較Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠提高了約20%。這是由于超音速微粒沉積成形過程對沉積顆粒具有加工硬化作用，從而使涂層的顯微硬度提高。

圖4 顯微硬度測試結果

將涂層截面打磨、拋光后，由涂層表面向5083鋁合金基體方向打點，測試顯微硬度沿涂層深度的變化規律，圖5、6分別為測試圖和測試結果。可以看出：隨著深度增加，涂層顯微硬度有增大趨勢，且在涂層與基體界面處達到最大值。這是由于顆粒的沖蝕和夯實作用對底層涂層的作用強于表層涂層，使底層涂層更致密、顯微硬度提高，受顆粒沉積過程加工硬化作用影響，涂層與基體界面附近鋁合金基體的顯微硬度略高于遠離界面處的基體。

圖5 Ti-45Al-7Nb-4Cr涂層截面顯微硬度測試圖

圖6 Ti-45Al-7Nb-4Cr涂層截面顯微硬度測試結果

2.5 摩擦學性能

2.5.1 摩擦因數

對比測試了不同摩擦載荷下5083鋁合金、Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層的摩擦學性能,圖7為50 N載荷時摩擦因數-時間曲線，可以看出：1)不同載荷下，材料的摩擦因數曲線具有相似特點;2)如曲線1所示，5083鋁合金摩擦因數隨時間變化迅速增加并達到峰值，隨后逐漸降低進入穩定摩擦階段，在穩定摩擦階段其摩擦因數有緩慢上升的趨勢；3)如曲線2所示，Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠摩擦因數隨時間變化先迅速增大達到峰值，而后逐漸降低，在0.55～0.60之間波動，進入穩定摩擦階段；4)如曲線3所示，Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層摩擦因數曲線與其鑄錠的相似，不同點在于涂層的摩擦因數要低于鑄錠的摩擦因數，這是由于涂層顯微硬度高于鑄錠，材料的耐磨損性能也相應提高。

圖7 磨損載荷50 N時摩擦因數-時間曲線

表1為不同載荷下、材料在30 min內的平均摩擦因數。可以看出：1)隨著摩擦載荷的增加，5083鋁合金的摩擦因數有增大趨勢，Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層摩擦因數無明顯變化；2)涂層的摩擦因數明顯低于5083鋁合金，通過在5083鋁合金表面制備Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層，使摩擦因數降低，起到了減磨作用。

表1 不同載荷下平均摩擦因數

2.5.2 磨損體積

5083鋁合金、Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層的磨損體積對比如圖8所示。可見：1)在不同載荷下，3種材料的磨損體積均隨載荷的增大而增大，Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層磨損體積大于鑄錠磨損體積,這是由于涂層內沉積顆粒多以機械嵌合機制相結合，受磨球犁耕力的作用更易發生脫落，使磨損體積損失量高于鑄錠;2)在相同摩擦載荷下，5083鋁合金磨損體積大于Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層磨損體積，涂層中含有較多的γ-TiAl相(質量比為84.6%)，可有效提高材料的耐磨性;3)通過在鋁合金表面制備Ti-45Al-7Nb-4Cr合金涂層可使磨損體積降低69%以上。

圖8 不同載荷下材料的磨損體積

2.5.3 磨痕形貌

5083鋁合金、Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層在摩擦載荷為50 N時的磨痕三維形貌和SEM形貌分別如圖9、10所示。由圖9(a)可知：5083鋁合金表面有明顯犁溝，分布不均勻且個別較深。這是由于摩擦時ZrO2陶瓷球微凸體擠入鋁合金內，由犁耕作用而產生，5083鋁合金磨損機制存在氧化磨損，脫落的氧化鋁片層夾在兩摩擦副之間，氧化鋁的高硬度在摩擦過程中起作用，使材料發生磨料磨損。由圖10(a)可知：塑性變形形成了光滑承載面，與犁溝相間存在，犁溝表面有裂紋產生，可見5083鋁合金的磨損形式還存在疲勞磨損。因此，5083鋁合金磨痕表面形貌的形成是氧化磨損、磨粒磨損和疲勞磨損共同作用的結果。

由圖9(b)、(c)和圖10(b)、(c)可見:Ti-45Al-7Nb-4Cr合金鑄錠和涂層的形貌較相似，有犁溝和片層脫落現象。這是因為：在摩擦過程中，兩摩擦副間微凸體的擠壓接觸產生的滑動會引起瞬時升溫，同時放出的大量熱使微凸體的頂端達到高溫，從而引起鈦鋁合金表面生成氧化物;隨著摩擦過程的繼續，氧化皮厚度增加，當達到一定厚度后從材料表面脫落，引起鈦鋁合金的氧化磨損。圖11為脫落的涂層片層的SEM圖，其能譜分析結果如表2所示，分析發現其主要成分為氧化物。脫落的氧化物片層夾在兩摩擦副之間，在摩擦過程中碎裂成小顆粒，氧化物顆粒具有較高硬度，使材料在摩擦過程發生磨料磨損。由上述分析可知：鈦鋁合金的磨損失效機制為氧化磨損和磨料磨損。

圖9 摩擦載荷50 N時的磨痕三維形貌

圖10 摩擦載荷50 N時的磨痕SEM形貌

圖11 Ti-45Al-7Nb-4Cr涂層摩擦過程中脫落的片層

表2 Ti-45Al-7Nb-4Cr涂層脫落片層能譜分析結果

元素質量比/%原子比/%OK24.2844.81AlK23.2125.40TiK40.8025.15CrK3.712.10NbL8.002.54總數100.00100.00

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(責任編輯:尚菲菲)

Tribological Properties of Ti-45Al-7Nb-4Cr Alloy Coating by Supersonic Particles Deposition

ZHU Sheng, HAN Guo-feng, WANG Xiao-ming, ZHOU Chao-ji

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

In view of the problems of poor wear resistance, the Ti-45Al-7Nb-4Cr alloy coating is made on the surface of 5083 aluminium alloy by supersonic particles deposition technology.The surface morphology and phase constituent of the coating are observed and analyzed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-Ray Diffraction(XRD), and microhardness and tribological properties of the substrate material, Ti-45Al-7Nb-4Cr alloy ingot and coating are tested for contrast. The results show that, the bonding mechanism of the Ti-45Al-7Nb-4Cr alloy coating is mechanical interlocking and metallurgical bonding, and the bonding mechanism between coating and substrate is mechanical interlocking. The coating is mainly composed of γ-TiAl, α2-Ti3Al, β-Ti phases. With the Ti-45Al-7Nb-4Cr alloy coating on the surface of 5083 aluminium, the microhardness is increased by 4 times and the friction volume is reduced by 69% more than 5083 aluminum alloy. The wear mechanism of TiAl-based coating is oxidation wear and abrasive wear. TiAl coating shows great wearability.

supersonic particles deposition; Ti-45Al-7Nb-4Cr alloy coating; 5083 aluminium alloy; friction volume

1672-1497(2015)01-0095-06

2014- 09- 28

軍隊科研計劃項目

朱 勝(1964-)，男，教授，博士。

TH117.1

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.01.019