钛合金ZrN耐磨抗冲蚀防护涂层
【论文】钛合金表面等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层性能的研究
摘要钛合金的高温力学性能及热物理性能均不理想。
钛合金耐磨性差，摩擦系数高，在高温下抗氧化性差，从而限制了其进一步广泛应用。
本文采用等离子体喷涂技术在钛合金表面制备Cr2O3陶瓷涂层，改善钛合金表面的硬度及摩擦性能，找出实验工艺与性能的关系。
本实验利用显微硬度仪测定了Cr2O3陶瓷涂层的显微硬度；采用X射线衍射法（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）研究了Cr2O3陶瓷涂层的相结构以及表面形貌特征；利用高速往复摩擦磨损实验机测试了等离子喷涂前后试样的耐磨性能。
实验结果表明：用钛合金等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层的显微硬度显著提高，最高硬度达到HV1500，陶瓷涂层的耐磨性能明显改善。
关键词：钛合金，等离子喷涂，硬度，耐磨性能AbstractHigh-temperature mechanical properties of titanium alloy and thermal physical properties are not ideal. Its poor wear resistance, high friction coefficient and poor anti-oxidation in high temperature conditions, all of these limit its wide application. In the paper, the Cr2O3 ceramic coating was formed on the surface of titanium alloy by the plasma-sprayed technology. By the coating, hardness and wear-resistance property of the alloy’s surface were absolutely improved. And at the end of the experiment, the relation of experimental technique and samples’ performance was found.The microhardness of the ceramic coatings was measured by microharness tester. X-ray diffraction (XRD) and scanning electronic microscope (SEM) were used to study the phase construction,the morphology and wear resistance of the ceramic coating was measured by high-speed reciprocating friction and wear testing machine.The result shows that XRD detects that Cr2O3 was the only component of coating on the surface of titanium alloy. The maximum harness is HV1500, the harness and friction property of the surface of titanium alloy was improved greatly.Key words: titanium alloy, plasma spraying, hardness, friction properties目 录第一章 前 言 (1)1.1 钛合金的概述 (1)1.1.1 钛合金的性能 (1)1.1.2钛合金的应用与发展趋势 (3)1.2 热喷涂技术 (6)1.2.1 超音速等离子喷涂技术 (6)1.2.2 反应热喷涂技术 (7)1.2.3 电弧喷涂技术 (8)1.3 等离子喷涂技术 (8)1.4 本实验的主要研究内容 (9)第二章 实验材料、实验设备 (10)2.1 实验材料 (10)2.1.1 基体材料 (10)2.1.2 试样的制备 (11)2.2 实验设备 (11)2.2.1 预磨机 (11)2.2.2 金相试样抛光机 (11)2.2.3 金相镶嵌机 (12)2.2.4 摩擦磨损检测仪 (12)2.3 实验工艺 (12)2.3.1等离子喷涂的实验工艺 (12)2.3.2 等离子喷涂的实验装置 (13)2.3.3实验前后试样比较 (15)第三章 等离子喷涂Cr2O3陶瓷层的形貌、显微组织以及分析、硬度分析 (16)3.1等离子喷涂Cr2O3陶瓷层的形貌及显微组织分析 (16)3.1.1 实验设备 (16)3.1.2 实验试样的扫描电镜分析 (16)3.2 等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层的XRD 分析 (20)3.2.1 X射线衍射的物相分析原理 (20)3.2.2 等离子喷涂涂层XRD结果及分析 (21)3.3 等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层的硬度分析 (22)3.3.1 检测所用的设备 (22)3.3.2 显微硬度仪的原理 (23)3.3.3硬度检测实验结果 (23)第四章 等离子喷涂Cr2O3陶瓷层摩擦学性能分析 (31)4.1 摩擦学的论述 (31)4.1.1摩擦机理 (31)4.1.2 影响滑动摩擦的因素 (32)4.2 等离子喷涂Cr2O3陶瓷层的耐磨性检测 (32)4.2.1检测装置 (32)4.2.2摩擦系数测试原理 (34)4.3 往复摩擦试验结果及分析 (34)4.3.1 往复摩擦试验的图片分析 (34)4.3.2 往复摩擦实验的曲线分析 (36)第五章 技术经济分析报告 (45)第六章 结 论 (46)参 考 文 献 (47)致 谢 (49)声 明 (50)第一章 前 言1.1 钛合金的概述1.1.1 钛合金的性能钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。
钛合金表面耐磨性能提升的优化建议
钛合金表面耐磨性能提升的优化建议钛合金表面耐磨性能提升的优化建议钛合金作为一种具有良好耐腐蚀性和低密度的金属材料，在航空航天、船舶制造、汽车工业等领域有着广泛的应用。
然而，其表面耐磨性能仍然存在一定的局限性。
为了提升钛合金表面的耐磨性能，我们可以采取以下优化建议。
第一步：选择合适的钛合金材料首先，我们应该根据具体的应用需求选择合适的钛合金材料。
不同的钛合金材料具有不同的耐磨性能，因此我们需要根据具体的使用环境和要求来选择适合的钛合金材料。
例如，在高温环境下使用的钛合金需要具有较高的耐磨性能，而在低温环境下使用的钛合金则需要具有较高的韧性。
第二步：优化钛合金的表面处理工艺钛合金的表面处理是提升其耐磨性能的关键步骤。
我们可以采用化学处理、机械处理或热处理等方法来改善钛合金表面的耐磨性能。
例如，通过表面氮化处理可以形成氮化层，提高钛合金的表面硬度和耐磨性。
另外，通过喷砂、抛光等机械处理方法可以去除表面的氧化层和缺陷，减少摩擦和磨损。
第三步：应用表面涂层技术在表面处理的基础上，我们还可以应用表面涂层技术来进一步提升钛合金的耐磨性能。
常见的表面涂层方法包括喷涂、电镀和化学气相沉积等。
这些涂层可以形成一层保护膜，有效减少钛合金表面与外界环境的接触，从而降低磨损和腐蚀的程度。
此外，还可以选择具有耐磨性较好的涂层材料，如钨酸盐、碳化硅等。
第四步：加强润滑和冷却措施除了表面处理和涂层技术，我们还可以通过加强润滑和冷却措施来改善钛合金的耐磨性能。
在摩擦和磨损的接触区域使用润滑油或润滑脂可以有效减少摩擦系数和磨损程度。
另外，在高温环境下，及时进行冷却以降低表面温度，有助于减少热疲劳和磨损。
综上所述，要提升钛合金表面的耐磨性能，我们可以通过选择合适的材料、优化表面处理工艺、应用表面涂层技术以及加强润滑和冷却措施等多种方法来实现。
这些优化建议可以提高钛合金在各个领域的应用性能，从而更好地满足不同行业的需求。
离子辅助电弧沉积ZrN梯度涂层抗固体粒子冲蚀行为研究
金属 材料遭 受小 攻 角 冲蚀 的机 制 为微 切 削 ， 大 攻 角
冲蚀 机制 以多 冲型疲 劳破坏 为 主 ， 因此 ， 不 同攻 角下
抗 Ｓ Ｐ Ｅ所 需要 的材 料 表 面 性 能 不 同。硬 质 表 面 改
性 层 因抗磨 和抗 微 切 削 能力 好 ， 在解决小攻角 Ｓ Ｐ Ｅ 破坏 时效果 显著 ， 但 增加 表 面 硬 度 往往 不 利 于 疲 劳
而Ｓ Ｐ Ｅ抗 力 较 低 ； 当Ｚ ｒ Ｎ梯 度 涂 层 太 厚 时 ， 涂层 韧性 和 内 聚 强 度 降低 ， 内部 残 余 应 力 较 大 ， 受 外 界 冲 击 载 荷 作 用 时
容 易 出现 局 部 脱 层 ， 因此 Ｓ Ｐ Ｅ抗 力 亦 不 高 。 关键 词 ： Ｚ ｒ Ｎ梯 度涂 层 ； 固体 粒 子 冲 蚀 ； 离子氮化 ； ２ Ｃ ｒ １ ３不 锈 钢
的 目的 ， 利用 离子辅助 电弧沉 积技术 在离子 氮化 预处 理的 ２ Ｃ ｒ １ ３ 钢 表 面制 备 不 同梯度 结 构 和不 同厚 度 的 Ｚ ｒ Ｎ梯度涂层 ， 研究 Ｚ ｒ Ｎ梯度 涂层 的结构 细节 因素 对
涂层结 合强度 、 显微 硬度 、 韧性 、 承 载能 力 以及抗 ９ ０ 。
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５ — ５ ０ ５ ３ ． ２ ０ １ ０ ． ４ ． ０ ０ ７
H13_钢表面多弧离子镀CrAlN_涂层的显微硬度及耐磨性影响
第20卷第11期装备环境工程2023年11月EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING·115·重大工程装备H13钢表面多弧离子镀CrAlN涂层的显微硬度及耐磨性影响袁嵩1，王帅2，方略2，张永伟2，李晓燚2，周志明3,4（1.海装驻西安地区第二军事代表室，西安 710025；2.重庆长安工业集团有限责任公司，重庆 400023；3.重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054；4.重庆合创纳米科技有限公司，重庆 400707）摘要：目的提高H13热作模具钢表面的显微硬度及耐磨性。
方法通过多弧离子镀技术，分别对未经热处理的H13钢、淬火H13钢以及氮化H13钢的表面进行多弧离子镀沉积CrAlN涂层，并分别对这3种基体上的CrAlN涂层的显微硬度和摩擦磨损性能进行研究。
结果涂层表面均较为平整，且出现了白色小颗粒。
经过淬火和氮化处理后，H13钢CrAlN涂层的显微硬度达到3 300HV以上，达到基体的14倍多。
与基体的摩擦系数相比，淬火和氮化处理后，H13钢的摩擦系数比基体低，镀膜后的摩擦系数比基体高。
氮化H13钢表面CrAlN涂层的磨损机理主要是磨粒磨损和黏着磨损共同作用，淬火H13钢的CrAlN涂层磨损机理主要是黏着磨损；淬火和氮化后H13钢基体上CrAlN涂层的耐磨性均得到较大的提高。
关键词：H13钢；CrAlN涂层；多弧离子镀；摩擦磨损；显微硬度; 显微组织中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)11-0115-06DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2023.11.015Effect on the Microhardness and Wear Resistance of Multi Arc IonPlating CrAlN Coating on H13 SteelYUAN Song1, WANG Shuai2,F ANG Lue2, ZHANG Yong-wei2, LI Xiao-yi2, ZHOU Zhi-ming3,4(1. The Second Military Representative Office of Haizhuang's in Xi'an, Shaanxi Xi'an, 710025, China; 2. Chongqing Chang'anIndustrial Group Co., Ltd., Chongqing 400023, China; 3.School of Material Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 4. Chongqing Hechuang Nano Technology Co., Ltd., Chongqing4000707, China)ABSTRACT: The work aims to improve the microhardness and wear resistance of H13 steel surface by multiarc ion plating coating technology. The CrAlN coatings were separately deposited on the surfaces of untreated H13 steel, quenched H13 steel and nitrided H13 steel. The microhardness and friction and wear properties of CrAlN coatings on these three substrates were studied. The coating surface was relatively flat and white small particles appeared. The microhardness of the CrAlN coating on H13 steel after quenching and nitriding treatment reached over 3300HV, which was more than 14 times that of the substrate.Compared with the friction coefficient of the substrate, the friction coefficient of H13 steel after quenching and nitriding treat-ment was lower than that of the substrate, while the friction coefficient after coating was higher than that of the substrate. The wear mechanism of CrAlN coating on nitrided H13 steel was an interaction of adhesive wear and abrasive wear, while the wear mechanism of CrAlN coating on quenched H13 steel was mainly attributed to adhesive wear. The wear resistance of CrAlN收稿日期：2023-08-03；修订日期：2023-11-01Received：2023-08-03；Revised：2023-11-01引文格式：袁嵩, 王帅, 方略, 等. H13钢表面多弧离子镀CrAlN涂层的显微硬度及耐磨性影响[J]. 装备环境工程, 2023, 20(11): 115-120. YUAN Song, WANG Shuai, FANG Lue, et al. Effect on the Microhardness and Wear Resistance of Multi Arc Ion Plating CrAlN Coating on H13 Steel[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(11): 115-120.·116·装备环境工程 2023年11月coating on quenched and nitridedH13 steel increases greatly.KEY WORDS: H13 steel; CrAlN coatings; multiarc ion plating; friction and wear; microhardness; microstructure多弧离子镀是提高材料表面耐磨耐蚀性的一种物理气相沉积技术[1-3]。
材料表面抗空蚀涂层的研究进展
04038功滋讨科2021年第4期（52）卷文章编号.1001-9731（2021）04-04038-08材料表面抗空蚀涂层的研究进展*刘志强，张智嘉，魏浩（哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，教育部超轻材料和表面技术重点实验室，哈尔滨150001）摘要：空蚀现象广泛存在于海洋平台、船舶机械和能源发电等领域。
这种腐蚀现象不仅造成了巨大的经济损失，也成为相关从业人员的安全隐患。
本文概述了抗空蚀涂层材料技术的研究进展，重点介绍了抗空蚀金属涂层技术和抗空蚀聚合物涂层技术。
最后对目前抗空蚀材料存在的问题及未来发展进行了展望。
关键词：空蚀机理；抗空蚀；表面涂层；研究进展中图分类号：TQ630.7文献标识码:A DOI：10.3969/.issn.1001-9731.2021.04.0070引言空蚀是一种特殊的腐蚀破坏形式。
静止或流动液体,在一定温度下降低压强使其汽化的过程称为空化,空化在水中形成球形空穴称为空泡。
空泡溃灭会产生高速的微射流，微射流反复冲击材料表面，最终会破坏材料表面，这种现象称为空蚀空蚀现象普遍存在于水工建筑和水力机械使用过程中，导致螺旋桨、水轮机等相关器件在使用过程中提前失效，从而造成巨大财产损失，甚至发生安全事故②。
当前，材料学领域主要从两方面去解决空蚀问题：一是对材料本身进行改性，赋予其优异的抗空蚀性能,如表面改性处理或研发新材料，但是新材料的研发相对困难且比较昂贵，只能用于重要的小型部件；二是在基体材料表面构筑抗空蚀性能优异的涂层，以达到抗空蚀的效果时】。
目前多是从涂层方面入手进行抗空蚀的研究，根据材料的不同可分为金属涂料和聚合物涂料。
前者相对较成熟，但后者从性能上来说有更好的发展前景。
1抗空蚀金属涂层针对金属材料表面抗空蚀研究，可以通过提升部件空蚀区硬度入手，即通过增加材料表面的抗疲劳性,从而提高材料的抗冲击能力。
金属材料表面改性工艺已经较为成熟，包括激光表面改性技术、热喷涂技术、等离子表面改性技术、表面渗碳处理技术等。
钛合金叶片防护涂层研究——十五科研项目作总结
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钛合金中zr元素的作用
钛合金中zr元素的作用
钛合金是一种重要的金属材料，其中的锆元素在钛合金中起到了重要的作用。
本文将从不同的角度探讨锆元素在钛合金中的作用。
锆元素可以提高钛合金的强度和硬度。
锆元素与钛元素形成的固溶体具有较高的强度和硬度，这使得钛合金具有出色的力学性能。
锆元素的加入可以有效地阻碍钛合金的晶体生长，使其晶界更加细小和均匀，从而提高材料的强度和硬度。
锆元素可以改善钛合金的耐腐蚀性能。
锆元素在钛合金中可以形成致密的氧化物膜，并且这种氧化物膜具有较好的耐腐蚀性能，能够有效地防止钛合金与外界环境的接触，减少了钛合金的腐蚀速度。
因此，锆元素的加入可以提高钛合金的耐腐蚀性能，延长其使用寿命。
锆元素还可以改善钛合金的加工性能。
由于锆元素的加入可以细化钛合金的晶粒，使其具有更好的塑性和可锻性。
这使得钛合金在加工过程中更容易塑性变形，提高了其可锻性和可塑性。
同时，锆元素还可以降低钛合金的热变形温度，减少加工过程中的变形阻力，提高加工效率。
锆元素还可以改善钛合金的热稳定性。
锆元素的加入可以阻止钛合金晶粒的长大，减缓了晶粒的长大速率，提高了钛合金的热稳定性。
这使得钛合金在高温环境下具有更好的性能，能够保持其原有的力
学性能和耐腐蚀性能。
锆元素在钛合金中起到了多方面的作用。
它不仅可以提高钛合金的强度和硬度，改善其耐腐蚀性能，还可以改善其加工性能和热稳定性。
因此，在钛合金的研发和应用中，锆元素的加入是非常重要的。
随着对钛合金性能要求的不断提高，锆元素在钛合金中的作用将得到更加深入的研究和应用。
钛合金零件表面处理的耐蚀性能研究
钛合金零件表面处理的耐蚀性能研究随着工业技术的不断发展，钛合金已经成为了重要的工程材料之一。
其高强度、耐腐蚀、耐高温等特性，被广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗设备等领域。
然而，作为金属材料，在使用过程中仍存在着腐蚀的问题。
因此，对钛合金表面进行耐蚀处理，已成为提高其使用寿命的关键工艺之一。
一、钛合金表面腐蚀的特点钛合金表面腐蚀主要表现为晶间腐蚀、点蚀腐蚀和氢脆等现象。
晶间腐蚀是指在钛合金的晶界处发生腐蚀，导致材料的断裂。
点蚀腐蚀是指在表面出现成千上万的微小腐蚀孔，降低了材料的强度和耐久性。
氢脆则是在钛合金中吸收过多的氢气，导致材料变脆易碎。
二、表面处理对钛合金耐腐蚀性的影响1. 阳极氧化处理阳极氧化处理是目前使用比较广泛的一种表面处理方法。
该方法通过在钛合金表面形成一层氧化膜，形成一种致密的表面保护层，使钛合金具有良好的耐腐蚀性能。
研究表明，通过阳极氧化处理后的钛合金表面，能够形成一层致密的氧化膜，显著改善了材料的耐蚀能力。
2. 化学镀膜处理化学镀膜处理是利用化学反应在钛合金表面镀上一层金属或合金层，以提高其耐腐蚀性能。
研究发现，采用化学镀膜方法可以在钛合金表面生成一层金属或合金保护层，显著提高了材料的耐腐蚀性能。
3. 离子渗氮处理离子渗氮处理是一种将氮元素浸入钛合金表面的方法，以形成一层氮化层，提高钛合金表面硬度和耐蚀性能。
研究发现，通过离子渗氮处理后的钛合金表面，能够形成一层坚硬的氮化层，显著提高了材料的耐蚀性能。
三、表面处理的寿命和成本问题虽然钛合金表面处理可以显著提高材料的耐腐蚀性能，但是不同的处理方法使用寿命和成本也不尽相同。
在实际工程应用中，需要根据材料使用环境、使用寿命和成本等因素来选择合适的表面处理工艺，以达到经济、实用和耐用的目标。
综上所述，钛合金表面耐蚀性能的提高对于钛合金应用于航空航天、汽车制造、医疗设备等领域具有至关重要的意义。
各种不同的表面处理方法对钛合金的耐腐蚀性能均有一定效果，但在使用过程中需要考虑到成本和使用寿命等因素，选择合适的表面处理工艺。
极端环境耐磨蚀防护涂层及其耦合损伤机理
特殊环境下的耐磨蚀防护涂层一直是材料科学与工程领域一个备受关注的研究课题。
在高温、高压、强腐蚀等特殊环境下，材料表面往往会遭受严重的磨损和腐蚀，导致材料性能下降甚至失效。
耐磨蚀涂层的研究旨在利用先进的材料和涂层工艺，提高材料表面的耐磨蚀性能，延长材料的使用寿命，保障在特殊环境下的安全可靠性。
1. 耐磨蚀涂层的种类耐磨蚀涂层种类多样，常见的包括热喷涂涂层、化学气相沉积涂层、物理气相沉积涂层等。
这些涂层通常由金属、陶瓷、聚合物等材料组成，具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀性强等特点。
2. 耦合损伤机理在实际工作中，涂层往往会遭受多种损伤，如磨损、冲击、腐蚀等。
这些损伤可能会相互耦合作用，导致涂层性能下降、甚至失效。
研究涂层的耦合损伤机理，对于提高涂层的耐磨蚀性能至关重要。
3. 研究现状目前，国内外学者针对耐磨蚀涂层的研究取得了一系列成果。
他们通过材料表面改性、涂层结构设计、损伤机理分析等手段，不断提高涂层的耐磨蚀性能。
利用先进的测试技术和模拟方法，深入研究了涂层在特殊环境下的性能变化规律。
4. 研究方向未来，耐磨蚀涂层的研究方向主要包括以下几个方面：(1) 新型涂层材料的开发：开发高性能、多功能的新型涂层材料，满足特殊环境下的使用需求。
(2) 涂层结构设计优化：通过结构设计、界面工程等手段，提高涂层的耐磨蚀性能和稳定性。
(3) 耦合损伤机理研究：深入分析涂层在不同损伤作用下的耦合效应，为涂层性能的提高提供理论支持。
(4) 先进测试与评价方法：开发更加真实、可靠的测试与评价方法，准确评估涂层的耐磨蚀性能。
5. 结语在特殊环境下，材料表面的耐磨蚀性能直接关系到设备的安全运行和使用寿命。
耐磨蚀涂层的研究具有重要意义。
未来，随着材料科学与工程技术的不断进步，相信耐磨蚀涂层领域将迎来更加广阔的发展前景。
在特殊环境下，材料表面的耐磨蚀性能对于设备的安全可靠运行至关重要。
而耐磨蚀涂层作为提高材料表面性能的关键技术，在各个行业都发挥着重要作用。
冷喷涂硬质合金耐磨涂层研究进展
冷喷涂硬质合金耐磨涂层研究进展王明远;李文亚;徐雅欣;雒晓涛【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2024(53)10【摘要】硬质合金涂层具有高耐磨性与高耐腐蚀性等优势,因此广泛应用于冶金等领域的耐磨、耐蚀防护中。
采用传统热喷涂技术制备硬质合金涂层,其高温会导致涂层材料产生相变、氧化、脱碳等问题,从而损害涂层的服役性能。
冷喷涂技术作为一种新兴的涂层制备技术,具有低温的特点,可避免传统热喷涂方法所带来的涂层质量问题,成为硬质合金涂层制备的潜在技术。
在简述冷喷涂技术原理及其沉积机理的基础上,综述了冷喷涂制备硬质合金耐磨涂层(如WC-Co、WC-Ni、Cr_(3)C_(2)-NiCr等),以及影响涂层硬度、耐磨性等力学性能的主要因素,包括硬质相、黏结相的种类、含量和尺寸等。
综合比较了冷喷涂与超音速火焰喷涂制备的硬质合金涂层的耐磨性能,分析了后处理(喷后热处理、搅拌摩擦处理)对冷喷涂硬质合金涂层耐磨性的影响。
最后,提出了冷喷涂技术在硬质合金耐磨涂层制备方面的局限性,并对未来发展进行了展望。
【总页数】13页(P28-40)【作者】王明远;李文亚;徐雅欣;雒晓涛【作者单位】西北工业大学材料学院陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室;西安交通大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TG174.4【相关文献】1.镁合金表面冷喷涂420不锈钢/WC-17Co涂层及其耐磨耐蚀性能2.低压冷喷涂Al(Y)-Al2O3-MoS2涂层的工艺优化及其耐磨损性能研究3.不同B_(4)C含量对冷喷涂Al/B_(4)C复合涂层防腐与耐磨性能的影响4.硬质相类型对冷喷涂铝基涂层组织与耐磨性的影响5.冷喷涂复合涂层的组织与耐磨性研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
TC4_钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究
第53卷第5期表面技术2024年3月SURFACE TECHNOLOGY·69·TC4钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究刘畅1,2，张春晖3，杜鹏程1,2，许建亮4，高名传1,2，陈同舟1,2*（1.武汉材料保护研究所有限公司，武汉 430030；2.特种表面保护材料及应用技术国家 重点实验室，武汉 430030；3.武汉船用机械有限责任公司，武汉 430080；4.凌云科技集团有限责任公司，武汉 430030）摘要：目的改善钛合金零部件之间因相对滑动造成的磨损，提升钛合金零部件的使用寿命。
方法采用超音速火焰喷涂（HVOF）方法在TC4钛合金表面上制备Cr3C2-NiCr、Ni50和NiCr涂层。
采用扫描电子显微镜（SEM）、显微硬度计等分析涂层的显微结构及力学性能，采用多功能摩擦磨损试验机及白光共焦三维形貌仪测试和分析不同涂层与TC4钛合金在干摩擦条件下的摩擦学性能。
结果 Ni50和NiCr涂层的硬度分别为680HV0.3和438HV0.3，低于Cr3C2-NiCr涂层硬度1 120HV0.3。
在高载荷作用下，由于Ni50和NiCr涂层的硬度较低，导致其颗粒界面出现裂纹，断裂韧性测试表现低于Cr3C2-NiCr涂层。
3种涂层的摩擦系数及波动均大于TC4钛合金基材。
Cr3C2-NiCr涂层对TC4的切削和NiCr涂层对TC4的黏着导致了TC4对磨副的严重磨损。
中等硬度的Ni50涂层对TC4的切削和黏着作用分别弱于Cr3C2-NiCr和NiCr涂层，TC4对磨副的磨损损失最低。
结论采用超音速火焰喷涂技术制备Ni50涂层可以降低TC4钛合金基体和摩擦副的黏着磨损损失，本研究为钛合金表面耐磨涂层的设计和提高钛合金零部件间的摩擦性能提供了一种可行的方案。
关键词：HVOF；TC4钛合金；Cr3C2-NiCr涂层；Ni50涂层；断裂韧性；摩擦学性能中图分类号：TG174 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)05-0069-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.05.007Tribological Properties of HVOF-sprayed ProtectiveCoatings on TC4 Titanium AlloyLIU Chang1,2, ZHANG Chunhui3, DU Pengcheng1,2, XU Jianliang4,GAO Mingchuan1,2, CHEN Tongzhou1,2*(1. Wuhan Research Institute of Materials Protection, Wuhan 430030, China; 2. State Key Laboratory of Special SurfaceProtection Materials and Application Technology, Wuhan 430030, China; 3. Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd., Wuhan 430080, China; 4. Lingyun Science & Technology Group Co., Ltd., Wuhan 430030, China)ABSTRACT: The wear resistance of titanium alloy is one of the most important factors which affect its performance and收稿日期：2023-02-04；修订日期：2023-05-17Received：2023-02-04；Revised：2023-05-17基金项目：煤燃烧国家重点实验室开放基金资助项目（FSKLCCA1901）；中国机械科学研究总院集团有限公司技术发展基金项目（FZJJ202129）Fund：The Foundation of State Key Laboratory of Coal Combustion (FSKLCCA1901); Foundation of China Academy of Machinery Science and Technology Group (FZJJ202129)引文格式：刘畅, 张春晖, 杜鹏程, 等. TC4钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究[J]. 表面技术, 2024, 53(5): 69-77. LIU Chang, ZHANG Chunhui, DU Pengcheng, et al. Tribological Properties of HVOF-sprayed Protective Coatings on TC4 Titanium Alloy[J]. Surface Technology, 2024, 53(5): 69-77.*通信作者（Corresponding author）·70·表面技术 2024年3月service life. In previous studies, the wear resistance of titanium alloy surface protective coatings was mainly researched with stainless steel and Si3N4 ceramics as friction pairs, and there was a lack of research on the wear performance between the protective coating and titanium alloy. In order to reduce the abrasion and find out a wear-resistant coating system that is applicable for the friction between titanium alloy parts, Cr3C2-NiCr, Ni50, and NiCr coatings, with high, medium, and low hardness, respectively, were sprayed on the surface of TC4 titanium alloy by HVOF. A scanning electron microscope (SEM) anda microhardness tester were used to analyze the microstructure and mechanical properties of the coatings. The tribologicalproperties of the coatings in friction with TC4 titanium alloys were measured with a versatile friction and wear test machine. The results of the mechanical and wear test results showed that the hardness of Ni50 and NiCr coatings was lower than that of the Cr3C2-NiCr coating. The lower hardness of Ni50 and NiCr coatings lead to the cracks generated at particle interfaces that around the indention when they were subject to a load of 49 N. However, differ from the crack morphology of Ni50 and NiCr coatings, the cracks in higher hardness Cr3C2-NiCr coatings propagated along the particle interface. The fracture toughness of the two coatings was 3.58 MPa·m1/2 and 1.69 MPa·m1/2, respectively, which were lower than that of Cr3C2-NiCr coatings with a value of3.65 MPa·m1/2. The hardness of TC4, Cr3C2-NiCr, Ni50 and NiCr coatings were 314HV0.3, 1 120HV0.3, 680HV0.3, and438HV0.3, respectively. However, the Ni50 coatings, as well as, the TC4 friction pair that was in friction with Ni50 coatings showed the lowest specific wear rate and wear loss, with the value of 0.87×10–7 mm3/(N·m) and 2.84 g, respectively. The coating specific wear rate of Ni50 coatings was 2.53, 0.84, and 0.08 times than TC4 alloy, Cr3C2-NiCr, and NiCr coatings, respectively.Meanwhile, the wear loss of the TC4 friction pair in friction with Ni50 was 1.1, 0.3, and 0.04 times than the friction pair that was in friction with TC4 alloy, Cr3C2-NiCr, and NiCr coatings, respectively. The wear mechanism of the TC4 substrate in friction with TC4 was adhesive wear, which was same with NiCr coatings in friction with TC4 friction pairs. Due to the low fracture toughness, the NiCr coating sufferred a much greater wear loss than Cr3C2-NiCr and Ni50 coatings. The wear mechanism of Cr3C2-NiCr coatings and TC4 friction pairs was adhesive wear and abrasive wear, resulting in a significant cutting effect and leading to a greater wear loss of TC4 friction pairs. The Ni50 coatings showed a moderate hardness but a relatively large fracture toughness compared with Cr3C2-NiCr and NiCr coatings. The cutting effect and adhesion effect of Ni50 coatings on friction pairs was lower than that Cr3C2-NiCr coatings and NiCr coatings, respectively, and the wear loss of the coatings and friction pairs was lower than the other two. In summary, the Ni50 coatings prepared by HVOF can reduce the adhesion wear loss of TC4 titanium alloy substrates and friction pairs. This study provides a feasible scheme for the design of wear resistant coatings on titanium alloy surfaces and for the improvement of friction properties between titanium alloy parts.KEY WORDS: HVOF; TC4 alloy; Cr3C2-NiCr coating; Ni50 coating; fracture toughness; tribological property钛合金因其具有比强度高、耐腐蚀、耐疲劳、低密度、低热膨胀系数等优异特性，广泛应用于航空航天、海洋装备、石油化工、医疗器械等领域[1-2]。
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体颗粒冲蚀实验评价 ＺｒＮ 涂层的耐磨抗冲蚀性能， 划痕仪测试涂层与基体的结合力， ＳＥＭ 、Ｘ 射线
分析涂层组成及观察涂层冲蚀前后表面形貌， 盐雾及电化学实验测试涂层耐腐蚀性能。结果表明，
ＺｒＮ 涂层成分主要为（ １１１） 择优取向的 ＺｒＮ 相； ＺｒＮ 涂层不影响钛合金的耐腐蚀性能及疲劳性能；
机的使用寿命， 提高其工作可靠性。 ＴｉＮ、ＺｒＮ 等涂层由于超硬、耐磨被广泛用于耐磨
材料［１－９］， 有多种沉积工艺， 如： ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＩＢＡＤ（ 离子 束辅助沉积） 、ＴＲＤ（ 热反应扩散） 、ＭＲ（ 磁控溅射） 等。 ＰＶＤ 沉积温度低， 不产生基体变形， 膜层结合力好， 所以选用 ＰＶＤ 沉积工艺在 ＴＣ１１ 钛合金上沉积 ＺｒＮ 涂层。研究 ＺｒＮ 涂层对 ＴＣ１１ 钛合金耐磨抗冲蚀性能 的影响， 以满足压气机叶片的使用要求。
表 ２ 疲劳实验结果 Ｔａｂｌｅ ２ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔｉｎｇ
试样种类 ＴＣ１１ ＴＣ１１ ＴＣ１１ ＴＣ１１ ＴＣ１１
ＴＣ１１／ＺｒＮ ＴＣ１１／ＺｒＮ ＴＣ１１／ＺｒＮ ＴＣ１１／ＺｒＮ
试样尺寸 !／ｍｍ ４．０２ ４．０２ ４．０２ ４．０１５ ４．０１５ ４．０１５ ４．０１５ ４．０１５ ４．０１５
第２卷 第６期
吴小梅等： 钛合金 ＺｒＮ 耐磨抗冲蚀防护涂层
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防护涂层要选择合适的沉积参数使涂层表面液滴 最少， 以提高其耐冲蚀性能。
２．３ 耐腐蚀性能
航空发动机压气机叶片在海洋环境服役及待 命时， 遭受由氯化物诱发的腐蚀，因此对于耐冲蚀涂 层， 除了要求涂层有足够的耐冲蚀能力和寿命外， 还要求对基材的抗腐蚀性能有改善或不降低。盐雾 试验模拟海洋气候的腐蚀条件， 是考察涂层耐蚀性 的主要方法。５００ ｈ 盐雾后取出试样， 观察基材及 ＺｒＮ 涂层试样表面外观均无变化， 没有发生锈蚀，可 见， 加入 ＺｒＮ 涂层并不影响 ＴＣ１１ 基材的耐腐蚀性 能。通过电化学极化测试钛合金及涂层试样的自腐 蚀电位和自腐蚀电流， 发现二者的自腐蚀电位及自 腐蚀电流基本相同， 即 ＺｒＮ 涂层并不影响 ＴＣ１１ 基 材的耐腐蚀性能。
收稿日期： ２００５－ ０９－ １２ 作者简介： 吴小梅（ １９７１－ ） ， 女， 吉林敦化人， 硕士， 主要从事压气机叶片防护涂层方面的研究。
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装备环境工程
２００５ 年 １２ 月
１ 实验方法
１．１ 涂层制备
试验基体为 ＴＣ１１ 钛合金（ ｗ（ Ａｌ） 为 ５．８ ％～７．０ ％， ｗ（ Ｍｏ） 为 ２．８ ％～３．８ ％， ｗ（Ｚｒ）为 ０．８ ％～２．０ ％， ｗ （Ｓｉ）为 ０．２％～０．３５％） ， 试样尺寸为 ５０ ｍｍ×５０ ｍｍ × ２ ｍｍ， ３０ ｍｍ ×１５ ｍｍ ×２ ｍｍ 的平板试样及旋转弯 曲疲劳试样。试样清洗后， 吹干待用。采用 ＤＨ－ ７００ 真空多弧镀膜机进行涂层沉积， 膜厚均为 ３ μｍ。
１．２ 涂层性能分析
ＳＥＭ 观察涂层表面及断面形貌； ＸＲＤ 分析涂层 微观结构及相组成； ＷＳ－ ９２ 涂层划痕测试仪测量涂 层与基体的结合强度； 按 ＧＢ ６４５８－ ８６“金属覆盖层 中性盐雾试验”标准进行盐雾试验及电化学极化测 试涂层的耐腐蚀性能， 盐雾试验条件： ｗ（ ＮａＣｌ） ＝５ ％， 温 度（ ３５±２） ℃， 试 验 时 间 ５００ ｈ； 电 化 学 极 化 测 试 条件： ｗ（ ＮａＣｌ） ＝３．５ ％， 温度（ ３０±１） ℃， ０．５ ｍＶ／ｓ， 参 比电极为饱和甘汞电极， 辅助电极为铂电极； 按照 ＨＢ５１３５－ ９６“旋转弯曲疲劳试验方法”来评估 ＺｒＮ 涂 层对钛合金基体力学性能的影响， 试验条件：实验机 型号 Ｅ８， 转速 ５０００ ｒ／ｍｉｎ， 实验温度为室温， 实验应 力 ５３０ ＭＰａ； 用增压气流固体颗粒冲蚀试验装置测 试试样耐冲蚀性能， 试验条件：空气压力 Ｐ＝０．３ ＭＰａ， 喷嘴距试样表面距离 Ｌ＝１３ ｍｍ，喷嘴直径 ｒ＝０．１５ ｍｍ， 冲蚀角度 α＝４５°， 固体冲蚀颗粒为 １５０ μｍ 石英砂。
２ 实验结果与讨论
２．１ 相分析
为了分析涂层微观结构， 对 ＺｒＮ 试样进行 ＸＲＤ 分析， 如图 １ 所 示 ， 结 果 表 明 ＺｒＮ 涂 层 主 要 涂 层 成 分为（ １１１） 择优取向的 ＺｒＮ 相。
２．２ 表面和断面形貌
从 图 ２ 可 见 ＺｒＮ 涂 层 致 密 ， 表 面 有 颗 粒 存 在， 最大颗粒尺寸达到 ２μｍ， 颗粒区域成分明显不 同于晶粒区域， 颗粒为富集的 Ｚｒ。从断面形貌可以 看出涂层厚度约为 ３μｍ，但未发现由于液滴沉积而 引起的结晶组织的差别。ＰＶＤ 沉积技术不可避免的 都 存 在 这 种 现 象［１０］， 纯 Ｚｒ 液 滴 只 是 镶 嵌 在 涂 层 表
循环周期 ／ 次 ３．２４×１０６
＞１．３５×１０７ ＞１．０３×１０７ ＞１．１１×１０７
１．２５×１０５ －
＞１．０４×１０７ ＞１．００×１０７ ＞１．０３×１０７
备注 断夹具中
断夹具中
参考文献： ［１］ Ｕｇｕｒ Ｓｅｎ． Ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ
表 １ 电化学实验结果 Ｔａｂｌｅ １ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ
材料 钛合金
ＺｒＮ
Ｅｃ ／ｍＶ － １４９ － １６０
Ｉａ ／（μＡ·ｃｍ－２） ０．２９８ ０．２６３
面， 在遭受冲蚀时， 很容易就从表面脱落， 导致涂层 的冲蚀速பைடு நூலகம்很大。所以， 采用 ＰＶＤ 技术沉积钛合金
ｔｈｅｒｍｏ－ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］．Ｖａｃｕｕｍ， ２００４， ７５： ３３９－ ３４５． ［２］ 曹祖安， 谭明山， 于占波， 等．ＴｉＮ 涂层高速钢刀具的应用 试验［Ｊ］．航空工艺技术， １９９４（ ３） ：３１－ ３３． ［３］ Ｅｚｕｇｗｕ Ｅ Ｏ， Ｏｋｅｋｅ Ｃ Ｉ．Ｔｏｏｌ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｗｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ＴｉＮ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌｓ ｉｎ ａｎ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００１， １１６： １０－ １５． ［４］ Ｌｉｎｄｓｌｅｙ Ｂ Ａ， Ｍａｒｄｅｒ Ａ Ｒ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｅｒｏｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ， １９９９， ２２５－ ２２９： ５１０－ ５１６． ［５］ Ｄｏｂｒｚａｎｓｋｉ Ｌ Ａ， Ａｄａｍｉａｋ Ａ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＴｉＮ ａｎｄ Ｔｉ （ Ｃ， Ｎ） ｃｏａｔｉｎｇｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＰＶＤ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｈｉｇｈ－ ｓｐｅｅｄ ｓｔｅｅｌｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００３， １３３：５０－ ６２．
图 ３ 为 ＺｒＮ 涂层的划痕曲线， 采用 ＷＳ－ ９２ 涂 层覆着力划痕试验机评价涂层与基体的结合强度。 每组取 ３ 个平行试样进行试验， 每个试样取 ５ 个点 进行测试， 结果由平均值决定， ＺｒＮ 涂层划透力的临 界值大于 ２０ Ｎ。
２．５ ＺｒＮ 涂 层 对 ＴＣ１１ 钛 合 金 耐 冲 蚀 性 能 的影响
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＴＣ１１ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ； ＺｒＮ ｃｏａｔｉｎｇ； ｅｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ； ｍｕｌｔｉ－ ａｒｃ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
钛合金由于比强度高， 耐蚀性好而广泛应用于 航空发动机零部件中。高推比航空发动机压气机将 采用钛合金， 但钛合金本身质地较软，耐冲蚀性能较 差， 在使用过程中， 空气中的尘埃和沙粒等在高速 气流的作用下将对压气机气动部件造成严重的冲 蚀损坏， 从结构上及航空动力学上破坏发动机性 能， 严重的导致发动机失效。涂覆一定的硬质防护 涂层可以提高钛合金的耐磨抗冲蚀性能， 延长压气
第２卷 第６期 第２２００卷５ 年第１２６ 期月
装备环境工程 ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
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钛合金 ＺｒＮ 耐磨抗冲蚀防护涂层
吴小梅， 李伟光
北京航空材料研究院， 北京 １０００９５
摘要： 采用真空多弧镀设备在 ＴＣ１１ 钛合金表面沉积超硬耐磨 ＺｒＮ 防护涂层， 通过增压气流固
２．４ 涂层与基体的结合强度
可以得到试样在单位砂重下的失重， ＴＣ１１ 基材失重率 为 ６０．７５ ｍｇ／ｋｇ， ＺｒＮ 抗冲刷涂层失重率为３．７１ ｍｇ／ｋｇ，结 果 表 明 ， ＺｒＮ 涂 层 大 大 提 高 了 ＴＣ１１ 钛 合 金 的 耐 磨 抗冲蚀性能。
对试样的冲蚀点进行扫描电镜观察 （ 见图 ５） 。 图 ５ａ 为 ＴＣ１１ 钛合金基材冲蚀点的表面形貌， 从照 片可以看出， 冲蚀点表面呈不规则的沟壑状， 冲蚀 砂粒对基材的刨切痕迹十分明显， 冲蚀碎片以每层 的片状形式被切削冲掉， 砂粒强大的冲蚀作用使基 材表面冲蚀相当严重。图 ５ｂ 为 ＺｒＮ 涂层冲蚀点的 表面形貌， 从照片可以看出， ＺｒＮ 涂层冲蚀点的表面
ＺｒＮ 涂层与基体结合牢固， 涂层大大提高了基体的耐磨抗冲蚀性能。
关键词： ＴＣ１１ 钛合金； ＺｒＮ 涂层； 耐磨抗冲蚀性能； 多弧离子镀
中图分类号： ＴＧ１７４．２
文献标识码： Ａ
文章编号： １６７２－ ９２４２（ ２００５） ０６－ ００４１－ ０４
Ｚｒ Ｎ ｃｏａｔｅｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｆｏｒ ｅｒ ｏｓｉｏｎ ｒ ｅｓｉｓｔａｎｃｅ
ＷＵ Ｘｉａｏ－ ｍｅｉ， ＬＩ Ｗｅｉ－ ｇｕａｎｇ