郭纯(1984-), 男, 博士研究生. E-mail:guochun@licp.cas.cn
利用激光熔覆技术在钛表面预置硅粉原位制备了Ti5Si3涂层. 用XRD、SEM和TEM分析了涂层的组成和组织结构. 在UMT摩擦磨损试验机上对Ti5Si3涂层在不同载荷和不同滑动速度下的摩擦磨损性能进行了测试. 实验结果表明: 涂层的物相主要是Ti5Si3相和基材Ti相, 涂层的显微结构为球状和块状晶, Ti5Si3涂层具有较高的显微硬度, 涂层截面的平均显微硬度约为840 HV0.2, 是钛基材的4.4倍; Ti5Si3涂层可显著提高钛基材的耐磨性能; Ti5Si3涂层的磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损.
Using silicon powder as the precursor to improve the wear resistance of Ti5Si3 coating was
钛及钛合金具有密度小、比强度高、生物相容性好、耐腐蚀性强等优点, 被广泛应用于航海、航空、航天、冶金、石油化工、医学、体育等领域[ 1, 2, 3, 4]. 但钛合金表面硬度低、耐磨性差、抗高温氧化性能差等, 限制了其在摩擦工况下的广泛应用[ 5, 6].
表面改性是提高钛合金摩擦学性能的有效手段. 钛及钛合金的表面改性技术主要有: 激光表面处理、气相沉积、电火花沉积、脉冲激光沉积、电泳沉积、离子渗碳渗氮、微弧氧化、热喷涂、表面金属镀层(化学镀、电镀)等等[ 7, 8, 9, 10, 11]. 激光表面处理技术具有能量密度高, 加工速度快、可对零件进行选区加工、热影响区小、稀释率低、工件热变形小等优点, 主要包括激光表面合金化、激光熔覆、激光淬火(激光相变硬化、激光重熔)等[ 12]. 国内外对钛及钛合金的激光表面改性进行了大量的研究, 主要集中于钛及钛合金的激光表面硼化、氮化、复合合金化、激光熔覆镍、钴、铁基涂层和钛铝金属间化合物涂层[ 13, 14, 15].
硅化物(Ti5Si3)具有低密度(4.63 g/cm3)、高熔点(2043 K)以及良好的抗高温氧化和高温稳定性等优点, 具有高温工程应用的前景[ 16, 17, 18]. 文献[19-21]报道了在钛铝合金表面通过激光熔覆原位制备含Ti5Si3的涂层, 但是在钛表面原位制备Ti5Si3涂层以提高钛耐磨性能的研究却鲜有报道.
本工作在钛表面预置硅粉进行激光熔覆处理, 对熔覆层的组成、组织结构及摩擦磨损性能进行较系统的研究, 为钛表面激光熔覆Ti5Si3涂层技术的工程应用提供依据.
基材选用试样尺寸为φ30 mm×12 mm的钛(TA1),其化学成分(wt%)为: Fe≤0.2, Si≤0.1, C≤0.08, N≤0.03, H≤0.015, O≤0.18, Ti 余量. 为了提高基材表面的激光吸收率, 在激光熔覆处理前 先对钛基材表面进行喷砂、丙酮超声处理, 并在钛表面预置硅粉(纯度≥99wt%, 杂质Fe、Cu、Sb总计≤1.00%, 粒径74 μm)厚度约为0.5 mm; 然后用10 kW的横流CO2激光加工成套设备(DL-HL- T10000B)对基材表面进行激光熔覆处理. 激光熔覆的参数为激光功率2 kW, 扫描速度 600 mm/min, 光斑尺寸φ3 mm, 聚焦距离103 mm, 搭接率50%. 为了避免裂纹的产生, 激光熔覆前用电炉预热试样, 预热温度 300℃.
用MH-5-VM显微硬度仪测截面的显微硬度, 毎个深度点测量5次取平均值. 用JSM-5600LV型扫描电镜(SEM)观察熔覆层的截面形貌, 用D/Max-2400 X-ray Diffractometer (XRD)检测合金化层的组成. 涂层的晶体结构用 FEI Tecnai-G2-F30型透射电镜(TEM)进行表征, 加速电压300 kV. 用UMT-2MT摩擦磨损试验机对制备的熔覆层进行摩擦磨损性能测试, 样块尺寸为 19 mm×19 mm× 12 mm, 摩擦对偶为φ6 mm的GCr15不锈钢球. 测试条件载荷5~15 N, 振幅5 mm, 滑动距离180 m, 滑动速度(0.025~0.2)m/s. 磨损体积损失用Micro-XAM 3D non-contract surface mapping profiler表面形貌仪进行测量. 毎个样品在相同测试条件下重复三次, 摩擦因数和磨损体积均为三次结果的平均值. 用SEM观察磨损后磨痕的表面形貌. 为了对比Ti5Si3涂层的耐磨性能, 文中引用了钛在相同测试条件下的磨损体积[ 22].
图1为激光熔覆制备涂层的XRD图谱, 从图中可以看出涂层主要含Ti5Si3和Ti 相. 经过激光熔覆处理的硅粉和基材钛反应生成了Ti5Si3相. 激光束具有较高的能量密度, 可以在极短的时间内使材料表面达到较高的温度. 根据文献报道, 激光表面处理过程中, 材料表面激光束照射处的温度可以用公式(1)进行估算[ 23, 24]:
(1) |
其中 P为激光功率(为W), η为材料对激光的吸收率. r为激光束的光斑半径(为m), λ为材料的热导率(W/(m∙K)), ν 为扫描速度(m/s)和α为热扩散系数(m2/s). 在本文中钛对波长10.6 μm 的激光的吸收率约30%, 钛的热扩散系数为 5.97×10-6m2/s, 钛的热导率为18 W/(m∙K)[ 23, 25]. 激光束半径为0.0015 m, 扫描速度0.01 m/s, 激光功率2000 W. 把上述参数带入公式, 可估算出激光束照射处的材料表面温度约为3825 K. 另外, 结合钛和硅反应的吉布斯自由能图(图2, FACT软件计算, 可以看出钛和硅反应的吉布斯自由能为很大的负值, 因此从热力学角度来看, 钛和硅很容易反应生成Ti5Si3相.
图3是Ti5Si3涂层截面的SEM照片, 从图中可看出涂层的界面处有明显的激光熔池的“月牙”形貌, 在多道搭接扫描模式下呈涟漪状. 涂层与基材之间呈现良好结合, 看不出明显的分界面, 涂层质量较好, 没有裂纹, 在靠近表面处有少量气孔, 涂层厚度约1.0 mm.
图4给出了Ti5Si3涂层的TEM照片和相应的选区电子衍射图案(SAED). 从图4可以看出, Ti5Si3涂层晶体结构为块状和近球状的晶粒, 并且出现了纳米级晶粒. SAED分析表明生成的是Ti5Si3相. 另外,纳米级晶粒的形成可归因于激光熔覆是一个快速加热、快速冷却的过程, 冷却速度可达到106℃/s[ 26], 在如此高的冷却速度下, 使凝固组织细化.
图5所示为Ti5Si3涂层的截面显微硬度曲线, 可以看出涂火层的平均厚度为1.0 mm, 与SEM 测出的涂层厚度值相符. Ti5Si3涂层截面的平均显微硬度约为840 HV0.2, 是钛基材的4.4倍(钛的显微硬度约190 HV0.2), 说明Ti5Si3涂层硬度较高. 涂层和钛基材之间存在明显的界面, 在界面处20~50 μm涂层的硬度从846 HV0.2陡然降到252 HV0.2,接近基材硬度. 界面处基材的显微硬度高于钛基材的原始显微硬度, 这是由于为涂/基界面处的基材在激光熔覆过程中表面层受熔池的热影响发生了相变硬化, 从而提高了硬度.
2.3.1 载荷对涂层摩擦磨损性能的影响
图6和图7分别是Ti5Si3涂层的摩擦因数和磨损体积随载荷变化的曲线(同时为了对比给出了钛的磨损体积随载荷的变化). 从图6可以看到Ti5Si3涂层的摩擦因数受载荷的影响显著, 即摩擦因数都随载荷的增加先增大后减小, 根据摩擦学原理, 这一现象可以用公式(2)进行解释[ 27, 28]:
(2) |
其中 μ为摩擦因数, S为剪切应力, A为接触面积, W为载荷.
根据公式(2), 在摩擦磨损过程中, Ti5Si3涂层与GCr15不锈钢球对磨时摩擦因数随载荷的增加而增大, 是因为增加载荷摩擦副之间的剪切力增加, 同时接触面积也增加, 且两者增加的比例乘积大于载荷增加的比例, 所以根据公式摩擦因数增加. 当载荷增加到一定值以后, 剪切力和接触面积增加的比例减小, 导致载荷增加速度大于接触面积和剪切力增加的比例乘积, 所以摩擦因数随载荷的增加反而减小. 从磨损的体积损失随载荷变化的曲线(图 7)可以看出, Ti5Si3涂层和钛的磨损体积均随载荷的增加而增加, 这与阿查德磨损定理相一致[ 29]. 从图7 还可看出Ti5Si3涂层与钛基材相比, 磨损体积较小(钛基材的磨损体积约是Ti5Si3涂层的2倍), 说明Ti5Si3涂层相对于钛基材具有较好的耐磨性能, 可见激光熔覆Ti5Si3涂层可以提高钛的耐磨性能, 这可归因于激光Ti5Si3涂层相对于钛基材有较高的表面硬度, 根据阿查德磨损定理[ 29]可知, 提高硬度有利于提高材料的耐磨性能.
图8是不同载荷下的Ti5Si3涂层磨损形貌, 从图8可以看出, 在5和15 N载荷下, Ti5Si3涂层磨损表面均存在很明显的犁沟和因粘着而产生的剥落坑, 说明Ti5Si3涂层的磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损. 摩擦磨损是一个系统体系, 为了更进一步理解磨损机理, 图9给出了对偶不锈钢球磨损表面的形貌图及相应的Fe和Ti的面分布图. 从图9可以看出对偶GCr15不锈钢球表面有轻微的犁沟和明显的粘着产生的凸起, EDS面分布结果显示这些粘着凸起含Ti, 说明摩擦过程中发生了涂层成分向对偶的转移, 进一步证实了粘着磨损的存在, 这一结果与图8得出的结果相一致.
2.3.2 滑动速度对涂层摩擦磨损性能的影响
图10是在10 N的载荷下, Ti5Si3涂层与GCr15不锈钢球对磨时摩擦因数与滑动速度的关系曲线, 可以看出Ti5Si3涂层与GCr15不锈钢球对磨时摩擦因数随滑动速度的增大而减小. 在干摩擦条件下, 随着滑动速度的增加, 摩擦对偶之间的剪切和犁沟产生的摩擦热增加, 摩擦界面处的温度升高, 从而降低了接触面的硬度. 此外, 摩擦表面可能生成氧化物或转移膜, 导致摩擦对偶之间的作用力减弱, 最终导致摩擦系数的减小[ 30]. 从图11可以看出Ti5Si3涂层的磨损体积要远小于在相同摩擦测试条件下钛的磨损体积, 说明在不同滑动速度下Ti5Si3涂层与钛相比有更好的耐磨性能. 但是Ti5Si3涂层和钛的磨损体积随滑动速度变化呈现出不同的变化趋势, 即钛的磨损体积随滑动速度的增加而减小, 而Ti5Si3涂层的磨损体积随滑动速度的增加而增加. Ti5Si3金属间化合物室温脆性较大, 在摩擦过程中增加滑动速度, Ti5Si3涂层表面受到的赫兹接触应力增加, 从而导致Ti5Si3涂层的磨损体积随滑动速度的增加而增大.
图12是激光熔覆Ti5Si3涂层, 在干摩擦测试条件下, 滑动速度分别为0.025和0.2 m/s与GCr15不锈钢球对磨后磨损表面的SEM照片(载荷10 N). 从图12可以看出, Ti5Si3涂层在不同滑动速度下的磨损表面与在不同载荷下的磨损表面相类似, 即均存在很明显的犁沟和因粘着而产生的剥落坑, 说明Ti5Si3涂层在不同滑动速度下的磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损. 同样为了更进一步研究Ti5Si3涂层在不同滑动速度下的磨损机理, 图13给出了对偶不锈钢球磨损表面的形貌图及相应的Fe 和Ti的面分布图. 可以看出对偶GCr15不锈钢球表面有犁沟和粘着产生的凸起(主要含Ti), 证明了摩擦过程中发生了粘着磨损. 与不同载荷下得出的结果相近.
2.3.3 磨屑形貌
为了更进一步理解磨损机理, 图14给出了Ti5Si3涂层在载荷15 N、滑动速度0.1 m/s和载荷10 N、滑动速度0.025 m/s摩擦测试条件下的磨屑形貌, 从图可以看出, Ti5Si3涂层在两个测试条件下的磨屑具有相似的形貌, 即块状和近球状. 而且两个测试条件下的磨屑的尺寸都很小(小于5 μm). 根据摩擦学理论, 一般认为较小尺寸的磨屑对应较温和的磨损. 另外, 产生球状的磨屑是由块状的磨屑在摩擦过程中来不及逸出磨痕经过研磨的结果[ 31].
1) 通过激光熔覆技术在钛表面原位制备了Ti5Si3涂层;
2) XRD结果表明, 熔覆后的涂层的主要成分为Ti5Si3相. 截面的SEM结果表明, Ti5Si3涂层与基材钛结合良好;
3) Ti5Si3涂层具有较高的显微硬度, 涂层截面的显微硬度约为840 HV0.2, 是钛基材的4.4倍;
4) 不同载荷和不同滑动速度下的摩擦磨损测试结果显示, Ti5Si3涂层与钛基材相比在相同的测试条件下具有更小的磨损体积和更好的耐磨性能. Ti5Si3涂层在不同载荷和不同滑动速度下的磨损机理均为磨粒磨损和粘着磨损.