添加固体润滑剂hBN的钛合金激光熔覆高温耐磨复合涂层研究

摘要

在钛合金表面激光熔覆复合涂层是改善钛合金摩擦学性能的一个有效途径。目前，大多数的相关研究是通过提高表面硬度和强度来改善钛合金基体摩擦学性能的，但仍呈现出较高的摩擦系数，尤其在高温、重载、不易润滑的特殊工作环境下。较高的摩擦系数对钛合金类零部件及其对磨件的耐用年限是有害的，克服这一问题的有效方法是设计一种具有高温自润滑性能的复合涂层。
　　本文采用激光熔覆技术制备出了Ni60耐磨复合涂层、Ni60-5％hBN及Ni60-10%hBN高温自润滑耐磨复合涂层。采用 X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析了涂层的物相及显微组织。采用球-盘式高温摩擦磨损试验机系统地研究了干滑动摩擦磨损试验条件下激光熔覆涂层在不同温度(室温、300℃、600℃)、室温不同载荷、高温不同载荷下的摩擦磨损性能并详细地探讨了复合涂层的磨损机理。
　　试验结果表明：Ti6Al4V合金基体上预涂Ni60、Ni60-hBN合金粉末制备的复合涂层饱满，无明显的裂纹、气孔等缺陷，涂层与基体形成了良好的冶金结合。激光熔覆层可以分为3个区域，由涂层表面到基体分别为熔覆区、结合区、热影响区。激光熔覆Ni60涂层主要由γ-Ni、TiB2、TiC等物相组成，Ni60-hBN自润滑耐磨复合涂层的主要物相除了γ-Ni、TiB2、TiC外，还出现了CrB、Ni3B硬质相及hBN润滑相。随着hBN含量的增加，硼化物的体积分数有所增加，且在凝固过程中形成了外部为块状TiB2，心部为TiC树枝晶的特殊复杂的相结构。激光熔覆Ni60涂层平均显微硬度约为946 HV0.2，是Ti6Al4V基体(约为350 HV0.2)的3倍左右。添加hBN的复合涂层显微硬度高于Ni60熔覆层的显微硬度，Ni60-5%hBN涂层平均硬度约为1052 HV0.2，Ni60-10%hBN涂层的平均显微硬度约为1109 HV0.2。
　　Ni60涂层的磨损率与摩擦系数都随着温度的升高而升高，常温时Ni60涂层的平均磨损率为11.23×10-6 mm3/Nm，比基体磨损率降低了近20倍，Ni60涂层呈现出良好的耐磨性。Ni60-hBN涂层在室温、300℃、600℃下均表现出较好的耐磨性，且随着温度的升高，摩擦系数及磨损率逐渐下降，尤其温度为600℃时，Ni60-10%hBN涂层的摩擦系数约为0.23，磨损率约为4.2×10-6 mm3/Nm是Ni60涂层的1/4，呈现出优异的减摩耐磨性能。这是硼化物、碳化物等增强相及润滑转移膜综合作用的结果。室温时激光熔覆Ni60涂层的摩擦系数及磨损率随着载荷增大而升高，2 N、5 N载荷时呈现出较好的耐磨性。600℃时Ni60-10%hBN涂层的摩擦系数及磨损率随着载荷的增加先减小后增大，5 N载荷下显示出优异的自润滑及耐磨性能。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 激光熔覆固体自润滑耐磨复合涂层概述

1.3 研究目的

1.4 研究内容

第二章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 激光熔覆涂层的制备

2.3 激光熔覆层显微组织及性能分析方法

第三章 试验结果与分析

3.1 激光熔覆层宏观形貌

3.2 激光熔覆层物相分析

3.3 激光熔覆层的显微组织分析

3.4 激光熔覆层的显微硬度分析

3.5 本章小结

第四章 激光熔覆层的摩擦学性能及机理

4.1 温度对激光熔覆层的摩擦磨损性能的影响

4.2 不同温度下激光熔覆层的耐磨机理

4.3 载荷对激光熔覆层的摩擦学性能的影响

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文及获奖

致谢