Ti₆Al₄V(TC4)合金作為一種(α+β)雙相合金，具有密度低、耐高溫、耐腐蝕、生物相容性好等特點(diǎn)，在航空、醫(yī)療、海洋等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。而Ti₆Al₄V合金耐磨減摩性能較差，磨損是其最嚴(yán)重的失效模式之一，嚴(yán)重縮短了運(yùn)動(dòng)零部件的使用壽命，使其在工業(yè)上的應(yīng)用受到限制，因此提高鈦合金表面耐磨損能力引發(fā)了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。在目前常用的金屬表面涂層技術(shù)中，激光熔覆技術(shù)由于稀釋率低、形成組織致密、材料選擇廣泛等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于材料表面功能性修復(fù)與改性。本工作利用激光熔覆技術(shù)在Ti₆Al₄V合金基體上制備了一系列Co-Cu/Ti₃SiC₂復(fù)合涂層，深入研究其微觀組織、物相、顯微硬度及寬溫域下的摩擦學(xué)性能。

  試驗(yàn)選取Ti₆Al₄V合金為基體，純Co粉末、純Cu粉末和三元層狀陶瓷Ti₃SiC₂粉末按Co-5%Ti₃SiC₂、Co-5%Ti₃SiC₂-10%Cu和Co-5%Ti₃SiC₂-20%Cu比例混合均勻。采用激光加工系統(tǒng)以1.6kW功率制備Co-Cu/Ti₃SiC₂復(fù)合涂層，用XRD分析物相組成，利用SEM/EDS觀察復(fù)合涂層微觀形貌及組織物相分布；采用顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層截面沿深度方向的顯微硬度，載荷為4.9N，保荷時(shí)間15s；通過(guò)球盤(pán)式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量室溫和600℃下涂層摩擦學(xué)性能，磨損參數(shù)為載荷5N，磨損時(shí)間30min，磨損半徑2mm，利用探針式磨痕測(cè)量?jī)x(MT-500)測(cè)量磨損輪廓及磨損體積。每個(gè)試樣均進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，取均值作為最終結(jié)果。隨后利用SEM/EDS對(duì)磨損表面和收集的磨屑進(jìn)行進(jìn)一步的形貌表征及元素定量分析。

  Co-5%Ti3SiC2涂層主要由γ-Co固溶體，潤(rùn)滑相Ti₃SiC₂，硬質(zhì)相TiC和金屬間化合物CoTix構(gòu)成，含Cu涂層出現(xiàn)新物相Cu及CuTix。性能上，復(fù)合涂層的顯微硬度均得到大幅提高，Co-5%Ti₃SiC₂、Co-5%Ti₃SiC₂-10%Cu、Co-5%Ti₃SiC₂-20%Cu涂層的顯微硬度分別為902.51HV0.5、799.53HV0.5、884.73HV0.5，達(dá)到Ti₆Al₄V基體(370HV0.5)的2.1~2.4倍。室溫下，Co-5%Ti₃SiC₂-10%Cu涂層表現(xiàn)出最好的減摩性能，摩擦因數(shù)為0.15，相比于基體降低了68.7%，磨損率為0.18×10^-6 mm³/(N·m)較基體（16×10^-6 mm³/(N·m)）降低98.88%；而在600 ℃下,復(fù)合涂層發(fā)生嚴(yán)重氧化，形成氧化膜使磨損率降低，其中Co-5%Ti₃SiC₂-20%Cu涂層磨損率為2.5×10^-7 mm³/N·m，較基體（3.41×10^-6mm³/( N·m)）降低92.67%，表現(xiàn)出最好的耐磨性。

圖1 三種激光熔覆涂層的顯微硬度

圖2 Ti₆Al₄V合金基體和Co-Cu/Ti₃SiC₂復(fù)合涂層在室溫和600℃下的摩擦因數(shù)圖

圖3 Ti₆Al₄V合金基體和Co-Cu/Ti₃SiC₂復(fù)合涂層在室溫和600℃下的磨損率

   室溫下，Co-Cu/Ti₃SiC₂復(fù)合涂層相對(duì)于Ti₆Al₄V基體具有更低的摩擦因數(shù)和磨損率，添加Cu元素后，涂層韌性提高，使摩擦系數(shù)降低；600℃下，復(fù)合涂層表面產(chǎn)生多種氧化物使磨損率得到不同程度降低，且隨Cu含量的增加，磨損表面產(chǎn)生含有固體潤(rùn)滑劑Cu和磨屑機(jī)械混合形成的摩擦產(chǎn)物層提供潤(rùn)滑作用，Co-5%Ti₃SiC₂-20%Cu涂層表現(xiàn)出最好的耐磨性，復(fù)合涂層的磨損主要由氧化磨損、磨粒磨損及粘著磨損造成。Co-Cu/Ti₃SiC₂復(fù)合涂層為Ti₆Al₄V合金高溫磨損問(wèn)題提供了新的解決方案。

摩擦磨損性能是鈦合金作為運(yùn)動(dòng)部件的必要研究方面，改善Ti₆Al₄V合金的耐磨減摩性能可提高其作為運(yùn)動(dòng)零部件的使用壽命及應(yīng)用范圍；采用激光熔覆在Ti₆Al₄V合金上制備的復(fù)合涂層顯著提高了Ti₆Al₄V合金的硬度及寬溫域下的耐磨性，為T(mén)i₆Al₄V合金的高溫磨損問(wèn)題提供新的解決方案；在Ti₆Al₄V合金表面制備硬度高，耐磨減摩性能優(yōu)異的涂層拓寬了其應(yīng)用范圍，為鈦合金在關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)零部件中的工業(yè)應(yīng)用提供材料與涂層制備技術(shù)及理論基礎(chǔ)。

  文章設(shè)計(jì)了新的耐磨減摩材料體系，Ti₃SiC₂屬于層狀六方結(jié)構(gòu)化合物，由于其優(yōu)異的可加工性、導(dǎo)電性、塑性以及抗氧化性和自潤(rùn)滑性能，已被逐漸應(yīng)用于自潤(rùn)滑涂層。Cu、Ag這類軟金屬具有良好的延展性和導(dǎo)熱性，部分研究者將其作固體潤(rùn)滑劑來(lái)提高涂層力學(xué)性能，與Ag相比，銅在高溫條件下作固體潤(rùn)滑劑的研究仍很少，需要進(jìn)一步研究，以評(píng)估其在高溫應(yīng)用中替代Ag這類貴金屬的潛力；本文將Ti₃SiC₂與Cu兩類固體潤(rùn)滑相結(jié)合，以純Co作為主要粘結(jié)相及增強(qiáng)相，采用激光熔覆技術(shù)在Ti₆Al₄V合金基體上制備Co-Cu/Ti₃SiC₂復(fù)合涂層，Ti₆Al₄V合金的硬度及摩擦學(xué)性能得到了明顯改善，進(jìn)一步研究了三種復(fù)合涂層在寬溫域下的磨損表面、磨屑的形態(tài)和元素分布等方面的差異，以探索Ti₃SiC₂和Cu兩種固體潤(rùn)滑劑在磨損過(guò)程中的作用機(jī)制與涂層整體磨損行為過(guò)程。