(1 中南林業(yè)科技大學(xué) 工程流變學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410004；2 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215006；3 武漢理工大學(xué) 材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

鈦合金具有較好的高低溫力學(xué)性能、韌性和生物相容性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-4]。 但是鈦合金的硬度低，耐磨性能差，例如文獻(xiàn)報(bào)道[5-6]鈦合金零部件主要的失效形式為連接結(jié)構(gòu)配合面之間發(fā)生的微動(dòng)磨損及微動(dòng)疲勞。激光熔覆技術(shù)制備涂層具有稀釋率低、基體與涂層呈牢固的冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為制備高硬度耐磨涂層熱點(diǎn)技術(shù)之一[7-8]。Lin等[9]利用激光熔覆技術(shù)在Ti-6Al-4V合金表面制備以TiB2-TiB為增強(qiáng)相的復(fù)合涂層，并研究了涂層的微動(dòng)磨損性能，結(jié)果表明復(fù)合涂層的微動(dòng)磨損性能得到提升，磨損機(jī)理為顆粒剝離。

由于激光熔覆快速熔化和快速凝固的特性，所制備涂層中存在較大的殘余應(yīng)力和晶格畸變，極大地限制了涂層在工業(yè)中的應(yīng)用[10-11]。 合適的熱處理工藝可以降低涂層的殘余應(yīng)力，改善其力學(xué)性能[12-13]。Lu等[14]在304不銹鋼表面制備Ni60/h-BN涂層，研究了涂層在500℃進(jìn)行1h和2h熱處理對(duì)力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明經(jīng)過1h熱處理后涂層的顯微硬度有所提高，耐磨性能得到改善。Sun等[15]對(duì)激光沉積制備的Co-285+WC涂層在500℃下進(jìn)行1h熱處理，結(jié)果表明熱處理后涂層的殘余應(yīng)力下降，其耐磨性能是原涂層的6.8倍。但目前關(guān)于不同熱處理溫度對(duì)激光熔覆鈦基復(fù)合涂層顯微組織和微動(dòng)磨損性能的影響報(bào)道較少，本工作以Ti-TiC-WS2為原料，采用激光熔覆技術(shù)在TA2鈦合金表面制備鈦基復(fù)合涂層，將涂層分別置于300，500℃和700℃真空中保溫1h，對(duì)不同涂層的物相組成、顯微組織、硬度和微動(dòng)磨損性能進(jìn)行表征,研究熱處理溫度對(duì)鈦基復(fù)合涂層組織和微動(dòng)磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

選用TA2鈦合金作為實(shí)驗(yàn)基體材料，尺寸為20mm×40mm×8mm，選用20mm×40mm面為熔覆面。待熔覆面經(jīng)過砂紙打磨以去除氧化膜、清洗吹干后，裝袋密封備用。選用40%Ti-25.2%TiC-34.8% WS2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合粉末作為熔覆材料。其中，Ti,TiC和WS2顆粒尺寸分別約為37,2μm和1μm。將復(fù)合粉末混合后，放入QM-3SP04行星式球磨機(jī)中球磨12h以混合均勻。使用甲基纖維素黏結(jié)劑將粉末預(yù)置在TA2合金基體上，厚度為1.5～2mm，最后放入干燥箱中于120℃下保溫2h。

采用DILAS SD3000L-3kW型半導(dǎo)體激光器進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)，主要工藝參數(shù)為：激光功率1.5kW，掃描速率4mm/s，光斑尺寸4mm×3mm。將涂層分別置于300，500℃和700℃真空中保溫1h，隨爐冷卻。樣塊經(jīng)線切割后制成金相試樣，打磨拋光后使用腐蝕劑進(jìn)行金相腐蝕。采用XRD，SEM及EDS對(duì)涂層顯微組織與物相組成進(jìn)行表征。利用MH-5型維氏硬度計(jì)測(cè)定涂層截面的顯微硬度，加載載荷和時(shí)間分別為4.9N和10s。使用島津微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熱處理前后涂層的微動(dòng)磨損性能進(jìn)行表征，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters of fretting wear test

2 結(jié)果與分析

圖1為激光熔覆Ti-TiC-WS2涂層橫截面宏觀形貌及結(jié)合區(qū)圖片。由圖1可見涂層表面平整，無明顯的裂紋和氣孔。圖2為不同涂層的XRD圖譜，可見未經(jīng)熱處理涂層及經(jīng)過不同溫度熱處理涂層的主要物相均為α-Ti，(Ti,W)C1-x，TiC，Ti2SC和TiS，說明經(jīng)過不同溫度熱處理后涂層的物相沒有發(fā)生改變。涂層中也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的WS2衍射峰，這是由WS2的分解溫度較低(510℃)、低熔點(diǎn)(1250℃)和低沸點(diǎn)(1260℃)等物理化學(xué)性能所決定的。在激光熔覆過程中，熔池中的WS2受熱分解為S和W。其中S可以與熔池中的Ti或者TA2基體中稀釋出的Ti原位合成TiS，或替換了TiC中的C原位合成了Ti2SC[16-17]。

圖1 激光熔覆涂層橫截面宏觀形貌(a)及涂層結(jié)合區(qū)(b)SEM圖片F(xiàn)ig.1 SEM micrographs of overview (a) and bonding zone (b) of coatings

圖2 不同涂層XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of different coatings

對(duì)比未經(jīng)過熱處理涂層和經(jīng)過300℃熱處理涂層的XRD圖譜可以發(fā)現(xiàn)，兩者的波峰強(qiáng)度較為相似，說明經(jīng)過300℃熱處理后涂層物相及其相對(duì)含量沒有明顯變化。而經(jīng)過500,700℃熱處理后涂層的XRD結(jié)果顯示，兩種涂層的α-Ti波峰明顯降低，而(Ti,W)C1-x和TiC以及Ti2SC和TiS的衍射峰都有不同程度的升高。這是由于激光熔覆是一個(gè)快速熔化和快速凝固的非平衡過程，部分溶解于熔池中的S,C和W原子沒有足夠的時(shí)間化合，固溶在α-Ti基體中，但物相α-Ti并不穩(wěn)定。當(dāng)涂層進(jìn)行熱處理(500℃和700℃)時(shí)，內(nèi)部原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，一部分固溶在α-Ti基體中的原子重新化合，結(jié)合為硬質(zhì)相(Ti,W)C1-x和TiC以及潤(rùn)滑相Ti2SC和TiS[18]。而經(jīng)過300℃熱處理涂層的物相波峰基本無變化，原因可能是當(dāng)涂層置于溫度為300℃熱處理環(huán)境中時(shí)，固溶在基體中的原子獲得的能量不足以促使其進(jìn)行重新化合或者只有非常少的極不穩(wěn)定的原子進(jìn)行了重新化合。

圖3為未經(jīng)熱處理涂層及不同溫度熱處理涂層上部區(qū)域典型組織SEM圖片，圖4為不同涂層下部區(qū)域典型組織SEM圖片，表2為圖1(b)、圖3及圖4中不同區(qū)域EDS結(jié)果。由圖3(a)，(b)可見未經(jīng)熱處理涂層及經(jīng)過 300℃熱處理涂層的上部區(qū)域典型組織形貌較為相似，都有較大的塊狀組織B、連續(xù)基體C和彌散分布的胞狀組織D，不同之處是經(jīng)過300℃熱處理后涂層析出極少的短桿狀組織F。由圖3(c), (d)可見涂層有較長(zhǎng)的桿狀組織F出現(xiàn)，且經(jīng)過500℃熱處理后涂層中出現(xiàn)彌散分布的淺灰色組織E。結(jié)合XRD及EDS分析：涂層中較大塊狀組織B主要由Ti和C元素組成，為TiC；連續(xù)基體C主要由Ti元素組成，其中夾雜部分的C,S和W，為α-Ti基體；胞狀組織D和淺灰色組織E均由Ti，C和W元素組成，為(Ti,W)C1-x；而桿狀組織F中包含Ti,C和S，推測(cè)為Ti2SC；圖1(b)中針狀組織A包含Ti和S，推測(cè)為TiS。由圖4可見，相對(duì)涂層上部組織，不同溫度熱處理后涂層及未經(jīng)熱處理涂層下部組織中都有較多的桿狀組織Ti2SC出現(xiàn)。未經(jīng)熱處理涂層下部區(qū)域中有較多的胞狀組織(Ti,W)C1-x存在，而經(jīng)過不同溫度熱處理后涂層下部組織中有彌散分布的淺灰色組織，結(jié)合XRD和EDS分析推測(cè)淺灰色組織為硬質(zhì)相(Ti,W)C1-x。

圖3 不同涂層上部區(qū)域SEM形貌 (a)未經(jīng)熱處理；(b)300℃;(c)500℃;(d)700℃Fig.3 SEM morphologies in upper regions of different coatings(a)without heat treatment;(b)300℃;(c)500℃;(d)700℃

圖4 不同涂層下部區(qū)域SEM形貌 (a)未經(jīng)熱處理；(b)300℃;(c)500℃;(d)700℃Fig.4 SEM morphologies in lower regions of different coatings(a)without heat treatment;(b)300℃;(c)500℃;(d)700℃

RegionTiCWSA70.611.11.117.2B74.822.90.81.5C83.07.10.19.8D15.547.636.9 -E38.147.411.53.0F56.427.10.416.1G54.432.81.111.7H39.936.123.60.4

圖5為不同涂層的顯微硬度分布曲線，可見經(jīng)過300,500℃和700℃熱處理1h的涂層顯微硬度分別約為 980.7,1143.3HV0.5和1190.7HV0.5。相比于未經(jīng)過熱處理涂層(1049.8HV0.5), 經(jīng)過300℃熱處理1h涂層的顯微硬度有所降低，這是由于激光熔覆急冷急熱的特性，所制備涂層內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力、晶格畸變嚴(yán)重。當(dāng)涂層經(jīng)過300℃熱處理1h后，涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力得到釋放、晶格畸變有所減輕，涂層顯微硬度有所下降[14,19]。另外結(jié)合涂層的XRD及組織分析可知，經(jīng)過300℃熱處理1h涂層無較多硬質(zhì)相析出，因此涂層顯微硬度下降；而經(jīng)過500℃和700℃熱處理1h后涂層的顯微硬度升高，這是因?yàn)橥繉又芯哂休^多的硬質(zhì)相(Ti,W)C1-x和潤(rùn)滑相Ti2SC析出，而它們都具有較高的硬度，可以相應(yīng)地提高涂層的顯微硬度[20-21]。

圖5 不同涂層的顯微硬度分布曲線Fig.5 Microhardness distribution curves of different coatings

圖6是未經(jīng)熱處理涂層及不同溫度熱處理涂層微動(dòng)磨損表面輪轂，可見未經(jīng)熱處理涂層的微動(dòng)磨損性能最差，熱處理溫度為300℃涂層的微動(dòng)磨損性能稍好于未經(jīng)熱處理涂層，而熱處理溫度為700℃涂層的微動(dòng)磨損性能最好。

圖6 不同涂層微動(dòng)磨損表面輪轂Fig.6 Surface profiles across the fretting wear scarsof different coatings

圖7是不同涂層微動(dòng)磨損磨痕全貌及磨痕中心放大圖，圖8為不同涂層微動(dòng)磨損三維形貌圖，表3中列出了圖8中不同涂層磨痕的算術(shù)平均粗糙度 (Ra)和輪廓均方根偏差(Rq)。結(jié)合圖7、圖8及表3可知，經(jīng)過不同溫度熱處理后涂層微動(dòng)磨損表面比未經(jīng)熱處理涂層光滑。由圖7(a)及圖8(a)可見，未經(jīng)熱處理涂層的微動(dòng)磨損表面存在明顯的剝落痕跡和塑性變形。這是由于激光熔覆所制備涂層內(nèi)部具有較大的殘余應(yīng)力，涂層在較大的外載荷(100N)的作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成微裂紋，微裂紋會(huì)隨著對(duì)偶件接觸應(yīng)力的持續(xù)作用而擴(kuò)展直至剝落，未經(jīng)熱處理涂層的磨損機(jī)理主要為脆性剝落。

圖7 不同涂層微動(dòng)磨損磨痕SEM形貌 (a)未經(jīng)熱處理；(b)300℃;(c)500℃;(d)700℃Fig.7 SEM morphologies of the worn surface after fretting wear of different coatings(a)without heat treatment;(b)300℃;(c)500℃;(d)700℃

觀察圖7(b)及圖8(b)可知，經(jīng)過300℃熱處理1h涂層磨損表面也存在剝落。由圖6可知，相比于未經(jīng)熱處理涂層，經(jīng)過300℃熱處理1h涂層的微動(dòng)磨損性能雖然有所上升，但提升幅度不明顯。這是由于經(jīng)過300℃熱處理1h后，一方面涂層的顯微硬度有所下降，涂層抵抗對(duì)偶件侵入的能力降低，涂層容易在對(duì)偶件的作用下形成剝落；另一方面熱處理有益于涂層殘余應(yīng)力的釋放，涂層的斷裂韌性有所改善，這對(duì)微動(dòng)磨損性能是有益的。綜合考慮，經(jīng)過300℃熱處理1h涂層的微動(dòng)磨損性能雖然有所改善，但并不明顯，其磨損機(jī)理主要仍為脆性剝落。

觀察圖7(c),(d)及圖8(c), (d)可見，經(jīng)過500℃和700℃熱處理1h涂層微動(dòng)磨損形貌相對(duì)光滑，磨損表面有輕微的塑性變形、磨粒磨損和黏著痕跡。由圖6可見兩種涂層都具有較好的微動(dòng)磨損性能。結(jié)合涂層物相、組織和顯微硬度分析可知：經(jīng)過500℃和700℃熱處理1h涂層中都有硬質(zhì)相(Ti,W)C1-x和潤(rùn)滑相Ti2SC，這不僅提高了涂層的顯微硬度，同時(shí)增強(qiáng)了涂層抵抗對(duì)偶件的顯微切削，并抑制了微裂紋的擴(kuò)展。此外熱處理后，涂層斷裂韌性得到改善，有益于其微動(dòng)磨損性能，可見經(jīng)過500℃和700℃熱處理1h涂層的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏著磨損。

3 結(jié)論

(1)采用預(yù)置法和激光熔覆技術(shù)在TA2合金表面制備出鈦基復(fù)合涂層，未經(jīng)熱處理涂層及經(jīng)過不同溫度熱處理后涂層的主要物相均為α-Ti，(Ti,W)C1-x，TiC，Ti2SC和TiS。

圖8 不同涂層微動(dòng)磨損三維形貌 (a)未經(jīng)熱處理；(b)300℃;(c)500℃;(d)700℃Fig.8 3D-morphologies of the fretting wear worn surface of different coatings(a)without heat treatment;(b)300℃;(c)500℃;(d)700℃

CoatingRa/nmRq/nmUnheatedtreatment181.0224.0300℃90.4147.0500℃52.275.2700℃20.734.0

(2)相比于未經(jīng)熱處理涂層(1049.8HV0.5)，經(jīng)過300℃熱處理1h涂層的顯微硬度有所下降(980.7HV0.5)，而經(jīng)過700℃熱處理1h涂層的顯微硬度最高(1190.7HV0.5)。

(3)經(jīng)過不同溫度(300,500,700℃)熱處理1h涂層微動(dòng)磨損性能都優(yōu)于未經(jīng)熱處理涂層。其中，經(jīng)過700℃熱處理1h涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的微動(dòng)磨損耐磨性能，磨損機(jī)理主要為磨粒磨損和黏著磨損，而未經(jīng)熱處理涂層的微動(dòng)磨損機(jī)理主要為脆性剝落。

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