NiCrBSi+Ni/MoS2涂層在空間環境下的摩擦學性能

孫榮祿，牛 偉，李 濤，姜海富，姜利祥,，鄭慧奇

（1. 天津工業大學 機械工程學院；2. 天津市現代機電裝備技術重點實驗室：天津 300387；

3. 北京衛星環境工程研究所；4. 北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室：北京 100094）

NiCrBSi+Ni/MoS2涂層在空間環境下的摩擦學性能

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. 天津工業大學 機械工程學院；2. 天津市現代機電裝備技術重點實驗室：天津 300387；

3. 北京衛星環境工程研究所；4. 北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室：北京 100094）

采用激光熔覆技術在TC4合金基體上制備了NiCrBSi+Ni/MoS2復合涂層，考察了該復合涂層在真空、原子氧輻照環境下的表面形貌及元素變化。利用真空摩擦磨損試驗機分別完成了干摩擦條件下2種環境的摩擦磨損性能測試。結果表明：NiCrBSi+Ni/MoS2復合涂層經過原子氧輻照后，有部分元素被氧化及化合物分解的現象，但并沒有發生明顯的材料性能改變以及潤滑涂層的破壞。與TC4合金相比，2種環境下該復合涂層均具有良好的潤滑減摩效果，證明NiCrBSi+Ni/MoS2復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；摩擦學性能

0 引言

鈦合金具有高的比強度和優異的抗腐蝕性能，是航空航天等領域十分重要的結構材料。但是鈦合金存在摩擦系數大，耐磨性能差的缺點，在很大程度上限制了它的應用范圍。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相比，激光熔覆具有許多優點：激光熔覆層與基材之間為冶金結合，結合力較強；冷卻速度快，熔覆層組織細小等[1]。目前，國內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]等陶瓷相增強的金屬基耐磨復合涂層方面。通過添加固體潤滑劑（如MoS2[7]、WS2[8]、h-BN[9]、CaF2[10]、TiSiC[11]等），制備金屬基自潤滑耐磨復合涂層不僅具有較高的硬度和耐磨性能，而且具有優異的減摩性能，從而滿足零部件在一些高溫、重載、高速等惡劣環境下的工作要求。通過原位合成具有潤滑效果的新生相可以有效解決固體潤滑劑在激光熔覆過程中的分解和飛濺，防止造成自潤滑效果降低的問題[12-13]。

近年來我國航天事業的快速發展為鈦合金提供了廣闊的應用前景，但空間環境的特殊性對材料的使用性能也提出了更高的要求，其中對摩擦磨損性能影響大的空間環境因素就是高真空和原子氧。例如，低地球軌道（LEO）是對地觀測衛星、氣象衛星、空間站等航天器的運行區域，其環境真空度為 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，開展真空和原子氧環境下涂層摩擦磨損性能的研究，對保證航天器運動部件工作的可靠性具有重要意義。國內外相關研究人員考察了某些涂層在空間環境中的潤滑性能[14-16]，結果表明：大部分有機涂層在原子氧及紫外線環境中均受到嚴重的侵蝕及降解，進而失去潤滑性能；某些金屬及金屬氧化物、硫化物的固體潤滑涂層在空間環境中具有良好的自潤滑性能。

本文利用激光熔覆技術在 TC4基材上制備了NiCrBSi+Ni/MoS2復合涂層（簡稱熔覆涂層），考察熔覆復合涂層在真空、原子氧輻照環境下的表面形貌以及摩擦學性能的變化，旨在為鈦合金表面激光熔覆自潤滑涂層及其在空間飛行器運動部件上的應用提供參考。

1 試驗材料與方法

基材采用 TC4合金，其化學成分為（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（天津鑄金科技開發股份有限公司生產，牌號為 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）的混合粉末，NiCrBSi與Ni/MoS2的質量配比為2∶1 ，其中NiCrBSi化學成分為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的質量比為3∶1，粒度為-200目。采用臥式行星混料機混粉8 h。將混合均勻的涂層材料用有機黏結劑（羥甲基纖維素和適量的水）調成糊狀，預置在 TC4基材的待熔覆表面，預置層厚度為 1.0 mm，然后放入真空箱中干燥。

激光熔覆試驗采用TJ-HL-T5000 CWCO2激光器，試驗參數為：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%。激光熔覆過程中采用氬氣保護以防止熔池氧化，氬氣流量為20 L/min。

利用 Olympus-GX51光學顯微鏡和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：采用Cu靶材，加速電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描速度為20 (°)/min。

原子氧輻照試驗在北京衛星環境工程研究所原子氧地面模擬實驗裝置上進行。原子氧輻照時間 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，并對表面成分進行分析。采用銷-盤摩擦磨損試驗機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。試驗條件：載荷F= 49 N，滑動速度0.75 m/s，滑動距離550 m。用感量為10-5g 的分析天平測量試樣磨損前后的質量，并計算磨損體積。

2 結果與分析

2.1 熔覆涂層的微觀組織

圖1為熔覆涂層的X射線衍射結果。對衍射峰標定表明，熔覆層主要由γ-Ni、TiC、CrB和CrxSy等物相組成。涂層中出現新的硫化物 CrxSy，說明Ni包MoS2在激光熔覆過程中發生分解，分解出來的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。結合XRD分析結果，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化學成分分析結果（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分析結果。可見，原子氧輻照之后涂層形貌相對平整致密，未發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11.83wt.%，而 S元素的含量相對減少，這說明部分硫化物發生了氧化。

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境中的摩擦系數曲線和磨損體積對比。可見：熔覆涂層的摩擦系數（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。主要原因：一方面是彌散分布的硬質相使基體的晶粒細化，提高了基體的韌性，增強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等硬質相具有很高的硬度，減少了對磨偶件硬質相磨粒對涂層的嵌入和切削作用，在摩擦過程中起到支撐作用；強、韌兩相結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，涂層中的硫化物潤滑相CrxSy在摩擦過程中形成潤滑膜，減少了涂層與對磨偶件的直接接觸，從而使涂層具有較低的摩擦系數。

圖 7為原子氧輻照后熔覆涂層在真空環境中的摩擦系數曲線。可見，原子氧輻照后熔覆層的摩擦系數在0.30～0.40之間，略高于原子氧輻照前的摩擦系數（0.25～0.35）。原子氧輻照對熔覆層摩擦系數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，使摩擦系數降低；另一方面使CrxSy顆粒發生氧化，部分硫化物被氧化生成了氧化物，而氧化物的潤滑性能相對CrxSy較差，這將導致熔覆層摩擦系數的增大。在這兩方面因素綜合作用下，熔覆層的摩擦系數有所提高。圖 8為原子氧輻照前后熔覆層磨損體積比較。可見，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 結論

1）利用激光熔覆技術在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）熔覆涂層經原子氧輻照5 h后，涂層中出現明顯的氧化現象，但未發現裂紋等損壞。S元素含量有所降低，但仍有CrxSy在摩擦副間起到潤滑作用。

3）熔覆涂層的真空摩擦系數為0.25～0.35，原子氧輻照5 h后真空摩擦系數為0.30～0.40。表明該涂層在2種環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

國家自然科學基金項目（編號：51371125）

孫榮祿, 牛偉, 李濤, 等. NiCrBSi+Ni/MoS2涂層在空間環境下的摩擦學性能[J]. 航天器環境工程, 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，博士學位，主要從事激光材料加工技術方面的研究工作。E-mail: rlsun@tjpu.edu.cn。