前 言
鈦合金因具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、耐腐蝕與生物相容性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1－5]。 在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，鈦棒、鈦管等鈦合金不可避免地存在摩擦與磨損問(wèn)題，鈦合金較差的耐磨性會(huì)嚴(yán)重影響其作為工作部件的可靠性與服役壽命。
表面改性技術(shù)是提高鈦合金耐磨性的主要方法，現(xiàn)有表面改性技術(shù)主要包括物理氣相沉積[6]、化學(xué)氣相沉積[7]、噴涂[8]、滲氮[9]、滲碳[10]、微弧氧化[11] 等，但是這些技術(shù)通常存在涂層與基材結(jié)合力差、涂層厚度較薄以及苛刻摩 擦 磨 損 條 件 下 涂 層 易 剝 落 等 問(wèn)題[12，13]。 而與以上技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有制備涂層組織致密且厚度不受限制，涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度高、不易剝落等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于提高鈦合金表面的耐磨性。
采用激光熔覆技術(shù)提高鈦合金表面耐磨性的主要方法是在鈦合金表面制備耐磨和自潤(rùn)滑涂層。 在鈦合金表面制備耐磨和自潤(rùn)滑涂層的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整熔覆工藝參數(shù)，使得熔覆粉末在激光高溫作用下快速熔化、凝固形成缺陷較少的涂層，因此，激光熔覆工藝是決定涂層耐磨性的重要因素[14]。 除此之外，涂層的組分也是影響涂層耐磨性的重要因素。 耐磨涂層由硬質(zhì)相和基體相組成，自潤(rùn)滑涂層由硬質(zhì)相、基體相和自潤(rùn)滑相組成。 硬質(zhì)相能夠提高涂層的硬度進(jìn)而提高涂層耐磨性；基體相能夠提高涂層韌性與潤(rùn)濕性進(jìn)而提高涂層的綜合性能；自潤(rùn)滑相則能夠減小涂層摩擦系數(shù)進(jìn)而提高涂層減磨性。 因此本文綜述了激光熔覆工藝和涂層組分(硬質(zhì)相、基體相和自潤(rùn)滑相) 特征對(duì)涂層耐磨性的影響規(guī)律。
1、激光熔覆工藝對(duì)涂層耐磨性的影響
采用激光熔覆技術(shù)制備的耐磨和自潤(rùn)滑涂層與基體的物理性質(zhì)(彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)等)存在較大差異，因此涂層易出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。 合適的激光熔覆工藝可以減少涂層中的各種缺陷，提高涂層的耐磨性。 激光熔覆工藝包括熔覆工藝參數(shù)和輔助工藝，熔覆工藝參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、比能量等參數(shù)。
1.1 激光功率
激光功率大小對(duì)涂層宏觀形貌、缺陷、組織、硬度有顯著的影響[15－17]。 崔愛永等[18] 研究了激光功率大小對(duì)涂層宏觀形貌的影響(見表 1)，由表 1 可知，涂層的稀釋率、熔池的深度隨著激光功率增大而增大，而涂層的宏觀形貌基本不受激光功率大小的影響。 翁飛[19]研究了激光功率對(duì)涂層缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)較低的激光功率使得熔池中的氣體來(lái)不及逸出形成氣孔缺陷；較高的激光功率使得熔覆材料充分熔融、氣孔缺陷減少。
馬永[20]研究了激光功率對(duì)涂層組織和硬度的影響，發(fā)現(xiàn)高激光功率使得涂層組織致密、分布均勻、硬度提高。 通常情況下，激光功率大小的選擇原則是在保證涂層形貌較為平整、涂層稀釋率低于 5％的情況下，盡可能提高激光功率[12]。
1.2 掃描速度
掃描速度會(huì)影響熔覆粉末的熔化狀態(tài)，進(jìn)而影響涂層的耐磨性。 掃描速度較低時(shí)，熔覆粉末能夠充分熔融；而掃描速度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致熔覆粉末過(guò)燒、粉末中的合金元素蒸發(fā)；掃描速度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致熔覆粉末不
能完全熔化[12，16，21]。 Li 等[22] 研究了掃描速度對(duì)Ti ＋TiBCN 熔覆粉末制備的涂層稀釋率、耐磨性的影響規(guī)律，結(jié)果如圖 1 所示， 隨著掃描速度的增加， 涂層的稀釋率降低、顯微硬度先增大后減小，摩擦系數(shù)、磨損質(zhì)量損失和磨損體積先減小后增大， 當(dāng)掃描速度為 7mm/s 時(shí)，涂層綜合性能最優(yōu)。 而譚金花等[23] 研究了掃描速度對(duì)TC4＋Ni60＋ｈ- ＢN 熔覆粉末制備的涂層的影響規(guī)律，結(jié)果表明掃描速度為 10 mm/s 的涂層綜合性能最優(yōu)。 因此在不同的熔覆粉末體系中，最優(yōu)的掃描速度存在差異。
1.3 光斑直徑和比能量
光斑直徑?jīng)Q定了涂層熔池寬度與光斑單位面積上的能量輸入。 大光斑直徑可以增加熔池寬度，但降低了能量輸入，而小光斑直徑使得涂層缺陷減少、組織致密，但會(huì)導(dǎo)致激光熔覆時(shí)間增加，不利于激光熔覆技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用[24，25]。
為了研究光斑直徑 Ｄ、掃描速度 ｖ 和激光功率 Ｐ 三者對(duì)涂層的共同作用效果，研究人員提出了比能量 Ｅ的概念，比能量 Ｅ 表示涂層單位面積受到激光照射能量的大小( Ｅ ＝ Ｐ / ＤＶ) [12]。 ＳUi 等[26] 研究了比能量對(duì)Ｔi3ＡL 復(fù)合TiN＋Ｔi3ＡLN 涂層的影響規(guī)律，結(jié)果表明比能量增加會(huì)提高涂層綜合性能，但涂層稀釋率也會(huì)增加；能量減小則會(huì)導(dǎo)致涂層組織分布不均勻、缺陷增加；比能量為 58.3 Ｊ/ MM2時(shí)，涂層氣孔、裂紋缺陷最少、耐磨性能最優(yōu)。 但是 LiU 等[27] 研究了比能量對(duì)TiC＋TiB2涂層的影響，結(jié)果表明比能量為 45 Ｊ/ MM2的涂層耐磨性能最優(yōu)。 在不同的熔覆材料體系中，熔覆材料的類型、粉末尺寸存在差異，使得涂層達(dá)到最佳性能所需的能量不同，因此比能量只能在相似的熔覆材料體系中作為參考。
1.4 輔助工藝
激光熔覆的輔助工藝包括引入旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、超聲振動(dòng)和后熱處理等工藝。 引入旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以減小熔池深度和寬度，而對(duì)涂層宏觀形貌、耐磨性的影響較小[28]。 合適的超聲振動(dòng)功率可以顯著降低涂層的晶粒尺寸，王維等[29]研究發(fā)現(xiàn) 2.2 Ｗ 的超聲振動(dòng)使得涂層宏觀形貌更加平整，相比無(wú)超聲振動(dòng)的涂層，晶粒尺寸減小了約 42％。后熱處理工藝可降低涂層的殘余應(yīng)力，同時(shí)提高涂層的斷裂韌性[30－33]。 但不同的后熱處理工藝對(duì)涂層耐磨性的影響存在差異。 Li 等[31] 將激光熔覆制備好的涂層(主要由 ＷC、Ｗ2C、α -Ｔi、Ｔi2Ni 和TiNi 組成)進(jìn)行熱處理，在 500 ℃下分別保溫1h和2h，然后在空氣中冷卻，涂層的顯微硬度、耐磨性略有降低。 而 CｈｅN等[32]將制備好的鈦基復(fù)合TiC＋TiB 涂層進(jìn)行熱處理，在不同的溫度(400 ℃、600 ℃和 800 ℃)下保溫3h，然后在空氣中冷卻，隨著熱處理溫度升高，涂層的硬度、 耐磨性提高。
2、硬質(zhì)相特征對(duì)涂層耐磨性的影響
鈦合金表面激光熔覆制備的耐磨涂層通常由硬質(zhì)相與基體相組成。 涂層的耐磨性主要由硬質(zhì)相的含量、特征和形成方式?jīng)Q定。 硬質(zhì)相的含量占比越高，涂層的耐磨性越好，但硬質(zhì)相含量占比過(guò)高會(huì)導(dǎo)致涂層產(chǎn)生大面積裂紋，甚至剝落。 在硬質(zhì)相含量受到限制的情況下，硬質(zhì)相的特征與形成方式成為決定涂層耐磨性的關(guān)鍵因素[34－36]。 硬質(zhì)相的形成方式有在熔覆粉末中直接添加硬質(zhì)相顆粒和利用激光高溫原位生成硬質(zhì)相 2 種方法。 本文按照硬質(zhì)相形成方式的不同，分別介紹了不同類型硬質(zhì)相對(duì)涂層的影響情況。
2.1 直接添加硬質(zhì)相
直接添加硬質(zhì)相的方法是直接添加高熔點(diǎn)陶瓷相作為熔覆粉末，在激光熔覆過(guò)程中采用較小的激光功率和較高的掃描速度來(lái)避免陶瓷相大量分解，激光熔覆結(jié)束后未分解的陶瓷相作為涂層硬質(zhì)相，提高涂層耐磨性。 常見的高熔點(diǎn)陶瓷相主要有 C-ＢN(立方氮化硼) [21，37]、ＷC[35] 等。 ＳａMａｒ 等[35] 選擇 ＷC＋NiCｒＢＳi 粉末進(jìn)行激光熔覆，如圖 2 所示， 涂層中 ＷC 顆粒的顯微硬度高達(dá) 3 338 ＨＶ，顯著提高了涂層的耐磨性，但是ＷC 顆粒邊緣受激光高溫影響分解產(chǎn)生了許多小顆粒，增大了涂層開裂傾向。
ＦU 等[38]采用包覆的方法改善了直接添加硬質(zhì)相在激光高溫作用下容易分解產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題。 如圖 3所示，無(wú)包覆的 C-ＢN 顆粒在激光高溫作用下分解產(chǎn)生裂紋，在干摩擦試驗(yàn)過(guò)程中，裂紋導(dǎo)致部分 C-ＢN 顆粒破裂形成磨粒磨損，涂層出現(xiàn)窄而深的磨痕。 而采用Ni 包覆 C-ＢN 顆粒的熔覆粉末經(jīng)過(guò)激光作用后，C- ＢN顆粒幾乎無(wú)裂紋產(chǎn)生，涂層的耐磨性顯著提升[38]。
2.2 原位生成硼化物陶瓷相
直接添加硬質(zhì)相顆粒的方法易產(chǎn)生裂紋，對(duì)硬質(zhì)相顆粒增加包覆層雖然會(huì)減少裂紋的產(chǎn)生，但是存在可包覆材料種類少、成本增加的問(wèn)題。 而采用原位生成的方法則不存在上述問(wèn)題，原位生成硬質(zhì)相是利用激光高溫作用使得熔覆粉末在熔化狀態(tài)發(fā)生原位反應(yīng)生成硬質(zhì)相。 原位生成的硬質(zhì)相主要有硼化物陶瓷相、碳化物陶瓷相、氧化物陶瓷相等。
硼化物陶瓷導(dǎo)熱率較高、高溫穩(wěn)定性好，同時(shí)具有高硬耐磨的特點(diǎn)[36]。 采用激光熔覆技術(shù)制備的耐磨涂層中硼化物陶瓷相主要為 TiB2、TiB 陶瓷相[39，40]。 生成 TiB2、TiB 陶瓷相的反應(yīng)吉布斯自由能和反應(yīng)生成焓都為負(fù)值且都為放熱反應(yīng)，因此 TiB2、TiB 陶瓷相在涂層中一般會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，此外生成 TiB 反應(yīng)的吉布斯自由能更低，在反應(yīng)充分的情況下，生成 TiB 的反應(yīng)更容易發(fā)生[41－44]。 如圖 4 所示，TiB 相形貌趨向六邊形針狀，TiB2相形貌趨向六邊形板塊狀[41]。 劉頔等[45] 制備了以 TiB、ＴiN 為主要硬質(zhì)相的耐磨涂層，干摩擦試驗(yàn)表明 TiB、ＴiN 具有釘扎強(qiáng)化作用而顯著抑制了硬質(zhì)相顆粒的剝落，提高了涂層耐磨性。
2.3 原位生成碳化物陶瓷相
原位生成碳化物陶瓷相主要為(Ｔi，Ｗ) C1－ｘ[46]、ＴiCｘ[47]等。 在熔覆涂層的形成過(guò)程中，當(dāng)熔池中含有鈦、碳和鎢元素時(shí)，碳元素優(yōu)先與鈦元素反應(yīng)生成TiCｘ，當(dāng)碳元素過(guò)飽和時(shí)才會(huì)和鎢元素反應(yīng)生成 ＷC，然后 ＷC和TiCｘ反應(yīng)生成單一固溶體(Ｔi，Ｗ)C1－ｘ，因此(Ｔi，Ｗ)C1－ｘ在涂層中的含量極低，對(duì)涂層耐磨性的影響較小[46，48]。
TiCｘ陶瓷硬度高、彈性模量高、熱力學(xué)參數(shù)和物理參數(shù)與鈦合金相近，因此是激光熔覆制備耐磨涂層中應(yīng)用較多的硬質(zhì)相[46]。TiCｘ 是非定計(jì)量比化合物，受激光熔覆工藝快速熔化快速凝固特點(diǎn)的影響，ＴiCｘ形貌各異，如圖 5 所示，TiCｘ有枝晶狀、花瓣?duì)?、球形或不?guī)則形狀等，但不同形貌的TiCｘ 對(duì)涂層耐磨性的影響還缺乏深入的研究[49]。 ＺｈａO 等[50] 制備的以TiCｘ為硬質(zhì)相的耐磨涂層顯微硬度最高為 540 ＨＶ。 而馬永[20] 制備的以 TiB＋ＴiC 為硬質(zhì)相的耐磨涂層顯微硬度最高為1 404.6 ＨＶ，磨損量相比基體減少了 66.67％。TiCｘ陶瓷作為涂層硬質(zhì)相時(shí)，需要額外添加其他種類的硬質(zhì)相才會(huì)顯著提高涂層的耐磨性。
2.4 原位生成氧化物陶瓷相
由于氧化物與液態(tài)金屬的界面能較大，導(dǎo)致大多數(shù)氧化物陶瓷相在涂層中的潤(rùn)濕性較差，因此激光熔覆原位生成氧化物陶瓷的研究較少，只有一些學(xué)者研究了ＺｒO2陶瓷、ＡL2O3陶瓷[51－53]。 ＺｒO2陶瓷除了具有高強(qiáng)度、高硬度外，還具有消除殘余應(yīng)力的作用[51，54]。 羅雅等[51]在 ＴＡ15 合金表面制備的TiNi＋Ｔi2Ni 復(fù)合 ＺｒO2涂層，涂層顯微硬度最高達(dá)到 1 070 ＨＶ，磨損率遠(yuǎn)低于基體。
此外，超聲振動(dòng)的輔助工藝可降低氧化物潤(rùn)濕性差帶來(lái)的不利影響。 ＷａNｇ 等[52]在激光熔覆過(guò)程中增加了超聲振動(dòng)的輔助工藝，制備了含 ＡL2O3、Ｗ2(C，O)氧化物 陶瓷相的涂層，超聲振動(dòng)使得涂層的晶粒細(xì)化，氧化物硬質(zhì)相 ＡL2O3、Ｗ2(C，O)在涂層中的潤(rùn)濕性有所改善，涂層平均顯微硬度達(dá)到 1 029.4 ＨＶ，耐磨性能優(yōu)異。
3、 基體相特征對(duì)涂層耐磨性的影響
在激光熔覆技術(shù)制備的耐磨涂層中，含量占比最高的相為基體相。 基體相能夠提高涂層的韌性和潤(rùn)濕性，避免涂層產(chǎn)生過(guò)多裂紋、氣孔等缺陷。 耐磨涂層的基體相主要由鈦基、鎳基、鈷基、鋁基及其相互復(fù)合的材料體系形成，因此按照涂層基體相類型，把耐磨涂層分為金屬基復(fù)合陶瓷涂層與金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層。
3.1 金屬基體相
金屬基復(fù)合陶瓷涂層的基體相由一種含量占比極高的金屬元素形成。 常見的金屬基體相包括鈦基、鎳基、鈷基等，因此金屬基復(fù)合陶瓷涂層又可分為鈦基、鎳基、鈷基復(fù)合陶瓷涂層。 鈦基復(fù)合陶瓷涂層的基體相與基材的物理性質(zhì)類似，所以能夠顯著減少涂層的各種缺陷，同時(shí)具有較好的潤(rùn)濕性[55－57]。 常見的鈦基體相由鈦粉在激光熔覆過(guò)程中形成，林沛玲等[58] 選擇Ｔi＋Ｂ 粉末制備了鈦基復(fù)合 TiB 陶瓷涂層，顯微硬度偏低 (650~ 770 ＨＶ)。 而 ＺｈａO 等[13，59]、LU 等[60] 制備的鈦基復(fù)合TiOｘ涂層基體相由TiO2粉末形成，如圖 6 所示，涂層組織致密、分布均勻，基材與涂層界面無(wú)裂紋，基材中的鋁元素和釩元素?cái)U(kuò)散到了涂層，表明涂層與基材實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，硬質(zhì)相TiOｘ 使得涂層平均顯微硬度達(dá)到了 1 583 ＨＶ1 N，涂層磨損率僅是基體磨損率 0.1 倍。
鎳基復(fù)合陶瓷涂層的基體相由鎳基自熔性合金粉末形成。 用于激光熔覆的鎳基自熔性合金粉末主要有Ｆ101 鎳基合金、Ni60、Ni45Ａ、NiCｒＢＳi 等粉末[36，61－64]，其化學(xué)元素組成如表 2 所示。 鎳基自熔性合金粉末含有硼、硅等元素，在激光熔覆過(guò)程中具有脫氧作用，而提高涂層的潤(rùn)濕性[36]。 鎳基復(fù)合陶瓷涂層的基體相由γ-Ni 組成，γ-Ni 能夠與硅元素、鉻元素、硼化物形成網(wǎng)格狀的枝晶間共晶 組 織 而 顯 著 提 高 了 涂 層 的 耐 磨性[65，66]。 ＳａMａｒ 等[35]選擇 ＷC＋NiCｒＢＳi 粉末制備的鎳基復(fù)合 ＷC ＋Ｗ2 C 涂層，平均顯微硬度達(dá)到了 1 384ＨＶ1 N。 但鎳基復(fù)合陶瓷涂層中同時(shí)存在少量的金屬間化合物相TiNi，添加適量稀土元素則能夠降低涂層中ＴiNi 相的含量，提高 α-Ti 相的含量，降低涂層界面的開裂傾向[61，62]。
鈷基復(fù)合陶瓷涂層的基體相由鈷基自熔性合金粉末形成。 用于激光熔覆的鈷基自熔性合金粉末價(jià)格較高，主要有 CO42、CO-01 等合金粉末，其化學(xué)成分如表 3所 示[40，67]。 鈷 基 復(fù) 合 陶 瓷 涂 層 的 基 體 相 主 要 為γ-Ni/ CO固溶體和少量的金屬間化合物 COＴi、COＴi2 和NiＴi[68，69]。 γ- Ni/ CO 固溶體、COＴi、COＴi2 和 NiＴi 脆性高，容易導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋，同時(shí)提高了涂層在干摩擦過(guò)程中出現(xiàn)開裂的概率，降低了涂層的耐磨性[70－74]。
ＷｅNｇ 等[41，68，69] 為解決鈷基體相的脆性問(wèn)題，采用了添加稀土元素的方法，分別選擇 CO42＋Ｂ4C＋ＳiC＋Y2O3粉末、CO42＋Ｂ4 C＋CｅO2 粉末、CO42＋ＴiN 粉末制備耐磨涂層，結(jié)果表明 3 種涂層都與基體為冶金結(jié)合方式，涂層中少量的金屬間化合物不會(huì)導(dǎo)致涂層與基材的界面出現(xiàn)裂紋，并且通過(guò)添加適量稀土元素 Y2O3和 CｅO2而細(xì)化涂層晶粒、顯著減小涂層內(nèi)的微裂紋數(shù)量，因此含稀土元素的涂層耐磨性能提高。
3.2 金屬間化合物基體相
金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層的基體相為金屬間化合物相，這些基體相主要包括Ti-ＡL 基、Ｔi-Ni 基、CO-Ni基、Ni-ＡL 基，因此把金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層分為Ｔi-ＡL 基、Ｔi- Ni 基、CO- Ni 基金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層。
Ti-ＡL 金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層的基體相為Ｔi3ＡL金屬間化合物，Ｔi3ＡL 金屬間化合物具有低密度、高彈性模量、高屈服強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和在高溫下形成致密氧化膜提高抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在韌性差、室溫延展性差、對(duì)微裂紋敏感的缺點(diǎn)[75－77]。Ti-ＡL 金屬間化合物的優(yōu)點(diǎn)使得涂層具有較高的硬度與耐磨性，但韌性差的Ti-ＡL 金屬間化合物使得涂層不可避免地存在裂紋，即使在熔覆粉末中添加適量稀土元素也難以完全消除，如 Li 等[78]在熔覆粉末中添加 Y2O3，成功制備了Ti3ＡL 金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層，顯微硬度在1 250 ~ 1 400 ＨＶ2 N 之間，但涂層依然存在許多微觀裂紋。
Ti- Ni 基金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層的基體相為ＴiNi、Ｔi2Ni 相，ＴiNi、Ｔi2Ni 金屬間化合物具有較好的硬度與耐磨性[79]。 當(dāng)熔覆粉末中Ti 含量較多時(shí)，涂層基體相為枝晶狀Ti2Ni；當(dāng) Ni 含量較多時(shí)，涂層基體相為ＴiNi[80]。TiNi 和Ti2Ni 與其他金屬間化合物相比，并未表現(xiàn)出明顯的脆性，以TiNi 和Ti2Ni 物相為主的涂層無(wú)明顯裂紋存在，組織較為致密，涂層與基體結(jié)合良好，但與Ti-ＡL 金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層相比，涂層硬度較低(580~900 ＨＶ) [34，80]。
此外還有研究較少的 CO- Ni、Ni- ＡL 金屬間化合物基體相。 CO-Ni 金屬間化合物基體相在形成過(guò)程中會(huì)同時(shí)生成與基材物理物理性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)差異較大CO-Ｔi 相，導(dǎo)致涂層和基材的界面處產(chǎn)生裂紋[81]。 Ni-ＡL 基金屬間化合物基體相具有高溫抗氧化與耐磨的優(yōu)點(diǎn)，但存在溫室脆性大的缺點(diǎn)[82]。
3.3 不同基體相形成的涂層耐磨性能對(duì)比
由于不同學(xué)者在測(cè)試涂層耐磨性能時(shí)采用了不同的摩擦試驗(yàn)條件(摩擦方式、摩擦副材質(zhì)、載荷、摩擦?xí)r間等)，因此他們制備的耐磨涂層無(wú)法直接利用磨損率、摩擦系數(shù)等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。 而顯微硬度在一定程度上可反映涂層的耐磨性能，因此對(duì)不同種類耐磨涂層的顯微硬度進(jìn)行了整理總結(jié)，如表 4 所示。
4、自潤(rùn)滑相特征對(duì)涂層耐磨性的影響
采用激光熔覆技術(shù)制備的自潤(rùn)滑涂層以耐磨涂層的組分為基礎(chǔ)并增加了自潤(rùn)滑相，因此與耐磨涂層相比，自潤(rùn)滑涂層的摩擦系數(shù)更低。
4.1 形成自潤(rùn)滑相的材料
采用激光熔覆技術(shù)制備的自潤(rùn)滑涂層中，一些常見的固體潤(rùn)滑材料用于在激光熔覆過(guò)程中形成自潤(rùn)滑相，主要包括石墨烯[84]、六方氮化硼(ｈ-ＢN) [66] 和各種硫化物[85，86]。 石墨烯作為新型二維材料具有強(qiáng)度高、韌性與自潤(rùn)滑性好的特點(diǎn)[87，88]。 ｈ- ＢN 是具有層狀結(jié)構(gòu)的六方晶系，層與層之間由范德華鍵相連，因此是良好的固體潤(rùn)滑材料[66，89]。 各種硫化物如 MOＳ2、ＷＳ2、ＴiＳ、Ｔi2ＳC 屬于層狀結(jié)構(gòu)、層與層之間容易發(fā)生剪切滑移，在中低溫干摩擦條件下形成轉(zhuǎn)移膜而具有自潤(rùn)滑效果[85，86]。 但上述固體潤(rùn)滑材料作為熔覆粉末都存在潤(rùn)濕性差和在激光的高溫作用下容易分解的問(wèn)題，因此自潤(rùn)滑相在涂層中的含量較低[85，87－89]。 針對(duì)固體潤(rùn)滑材料潤(rùn)濕性差和易分解的問(wèn)題，主要有在熔覆粉末中直接添加固體潤(rùn)滑材料形成自潤(rùn)滑相和利用激光高溫原位生成自潤(rùn)滑相 2 種解決方法。
4.2 直接添加自潤(rùn)滑相
在熔覆粉末中直接添加固體潤(rùn)滑材料需要采用低激光功率與高掃描速度的熔覆工藝參數(shù)，避免固體潤(rùn)滑材料在激光熔覆過(guò)程中完全分解。 石皋蓮等[66]研究了 Ni60＋ｈ-ＢN 粉末激光熔覆形成的自潤(rùn)滑涂層，未分解的 ｈ-ＢN 作為自潤(rùn)滑相，在高溫干摩擦試驗(yàn)條件下，ｈ-ＢN顆粒軟化并鋪展形成潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，磨損量相比Ni60 粉末形成的涂層有明顯減少。 ＺｈａO 等[50]、ＺｈａNｇ等[84]選擇鈦＋石墨烯粉末在TC4 合金表面制備自潤(rùn)滑涂層，在激光熔覆過(guò)程中，大部分石墨烯與鈦元素反應(yīng)生成了TiC 硬質(zhì)相，少量石墨烯在高溫下轉(zhuǎn)化為石墨，少量石墨與未分解的石墨烯組成了自潤(rùn)滑相。 在干摩擦試驗(yàn)中，自潤(rùn)滑相與涂層表面硬質(zhì)相組成的機(jī)械混合層降低了摩擦副與涂層的接觸應(yīng)力，提高了涂層耐磨性[84]。
4.3 原位生成自潤(rùn)滑相
利用激光高溫原位反應(yīng)的自潤(rùn)滑相含量更高，具有更好的減磨效果。 劉秀波等[85]、LiU 等[86] 以 NiCｒ＋Cｒ3C2＋ＷＳ2粉末制備的涂層原位生成了Ti2ＳC＋CｒＳ 自潤(rùn)滑相，在室溫至 600 ℃ 的摩擦條件下可以形成潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，降低摩擦系數(shù)、磨損率；而以Ti＋ＴiC＋ＷＳ2粉末原位生成了Ti2ＳC＋ＴiＳ 自潤(rùn)滑相，涂層在中低溫度下具有不錯(cuò)的自潤(rùn)滑效果，但在 500 ℃ 以上自潤(rùn)滑相會(huì)氧化失效形成氧化膜。
通常石墨烯在激光熔覆過(guò)程中會(huì)優(yōu)先與Ti 元素反應(yīng)生成TiCｘ，因此石墨烯難以作為原位生成的自潤(rùn)滑相，ＷｅNｇ 等[90]通過(guò)調(diào)整粉末比例、熔覆工藝參數(shù)，采用Ni60＋Ｂ4C 粉末在TC4 表面進(jìn)行激光熔覆，原位生成了與石墨烯結(jié)構(gòu)類似的球形石墨。 在激光熔覆過(guò)程中原位生成球形石墨自潤(rùn)滑相的機(jī)理如圖 7 所示，鈦元素與碳元素生成TiCｘ 后，多余碳原子沿著氣泡與熔體的界面快速非平衡凝固形成球形石墨，球形石墨使得涂層的摩擦系數(shù)降低、耐磨性顯著提高(涂層耐磨性是基體的 43.67 倍) [90]。
5 、總結(jié)和展望
綜上，鈦合金表面激光熔覆制備耐磨和自潤(rùn)滑涂層能夠有效解決鈦合金耐磨性差的問(wèn)題，其中激光熔覆工藝與涂層組分(硬質(zhì)相、基體相、自潤(rùn)滑相)是決定涂層耐磨性的主要因素。 激光熔覆工藝參數(shù)設(shè)定主要采用試錯(cuò)的方法進(jìn)行多次試驗(yàn)確定熔覆工藝參數(shù)；超聲振動(dòng)可顯著減小涂層晶粒尺寸，而對(duì)涂層進(jìn)行熱處理則可以有效提高涂層的斷裂韌性。 硬質(zhì)相是提高涂層耐磨性的關(guān)鍵因素，采用原位生成法形成的硬質(zhì)相具有無(wú)裂紋、硬質(zhì)相邊緣無(wú)破碎的小顆粒的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛用于耐磨涂層中硬質(zhì)相的形成。 鎳基體相和鈦基 體相基具有良好的潤(rùn)濕性，可顯著減少涂層的裂紋、氣孔缺陷，提高涂層的綜合性能。 自潤(rùn)滑相的形成需要在熔覆粉末中添加能夠原位生成自潤(rùn)滑相的材料，避免自潤(rùn)滑相在激光高溫作用下大量分解。
為了進(jìn)一步提高激光熔覆技術(shù)制備的耐磨和自潤(rùn)滑涂層的耐磨性能，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面。 首先，建立能夠綜合考慮各種因素(激光器類型、熔覆粉末類型和尺寸等因素)的數(shù)學(xué)模型用于設(shè)定熔覆工藝參數(shù)，使得涂層耐磨性能達(dá)到最佳。 其次，開發(fā)更多的熔覆粉末材料，以解決涂層中硬質(zhì)相和自潤(rùn)滑相含量占比偏低的問(wèn)題。 最后，深入研究不同熔覆粉末在激光熔覆過(guò)程發(fā)生的各種復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步提高涂層耐磨性。
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