CN103060799A - 一种用于提高钛合金表面自润滑耐磨性能的材料及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高钛合金表面自润滑耐磨性能的材料及其应用。所述材料为粉末组合物，按质量百分数，包括NiCr和Cr₃C₂的合金粉85%～92%，WS₂的合金粉8%～15%；粉末组合物中，镍元素的质量百分数为16%～19.5%，铬元素的质量百分数为60%～70%，碳元素的质量百分数为4%～8%。本发明以NiCr、Cr₃C₂和WS₂组合物为复合材料涂层的粉末，在激光熔覆工艺条件下，与钛合金Ti6Al4V反应生成的TiS₂和CrS具有自润滑性能，生成的(Cr,W)C和TiC增强相，增加了涂层的硬度，起到了耐磨作用；本发明技术方案有效地减轻高温耐磨复合涂层自身及其对偶件的摩擦磨损，大幅度提高其高温耐磨寿命。

Description

一种用于提高钛合金表面自润滑耐磨性能的材料及其应用

技术领域

本发明涉及一种用于制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末及其应用。.

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、高温力学性能优异（与铝合金相比）、耐蚀性优异、生物相容性好等突出优点，在航空、航天、船舶、兵器、海洋、石油、化工、生物医学工程等领域中得到广泛应用。在航空工业领域，钛合金是制作各类航空飞行器的关键结构材料。在先进高推比航空发动机中，钛合金广泛用于制作风扇叶片、压气机盘、压气机叶片、压气机整体叶环及整体叶盘、压气机机匣、鼓筒轴、加力筒体、调节片、尾喷管等核心关键运动零部件及关键结构件。但钛合金摩擦系数大、易粘着、不易润滑、耐磨性差、高温抗氧化性能低等缺点，大大限制了钛合金的应用范围，特别是严重制约了钛合金作为摩擦副运动零部件的使用。在航空、航天、核能、军工等尖端技术领域，存在着大量在高真空度、高温、高速、重载等苛刻工况环境下运行的钛合金摩擦运动副零部件，如高温绝热发动机轴承、活塞环、缸套、核阀、汽轮机叶片等，普通的润滑油脂已不能完全满足使用要求，在对磨件表面制备出一种高效、环保的耐磨减摩的自润滑涂层是解决上述问题的有效途径之一。

固体自润滑复合材料是以金属、陶瓷或非金属为基本组元，加入固体润滑剂和一些附加组元，通过一定工艺制备而成的具有一定强度和自润滑性能的复合材料。这种复合材料可根据工况要求方便地设计成分组成，一方面具有较高的强度和硬度，能够提高接触摩擦副的耐磨性；另一方面又具有自润滑的效果，在摩擦副之间形成固体润滑转移膜，减少摩擦副的摩擦系数和稳定摩擦功耗，实现无油或少油条件下自润滑的目的。因为具有优异的综合性能引起了润滑领域的广泛关注并迅速发展起来。常见的固体润滑剂有石墨、软金属(Au、Ag、Pb等)、层状固体(MoS₂、WS₂)、氟化物(CaF₂、BaF₂等)及高分子聚合物等。其中MoS₂和WS₂是应用最为广泛的固体润滑剂，MoS₂和WS₂具有层状结构，其晶体为六方晶系，由于其层与层之间的范德华力较小，故剪切力较小，因而拥有较低的摩擦系数，起到很好的减摩作用。

由于磨损基本发生于材料或零部件的表面，采用合适的表面工程手段在材料表面制备硬度高、耐磨性好的涂层无疑具有较高的经济性和可行性，不仅可以拓宽其应用领域和范围（如核能、军工、冶金等领域；高温、高速、重载等环境），还可有效提高材料或零部件的使用寿命，节约成本、保护环境。目前，常用的复合材料有镍基、铁基、钴基合金，并加入一些碳化物增强相（如碳化钨、碳化铬、碳化钛等），采用这些高温高硬度耐磨材料或涂层虽然大大地提高了工件自身的高温耐磨性能，但与此同时，在很多情况下却加剧了对偶件的磨损，即对配偶件的摩擦相容性或者说自润滑性能差，这在很多情况下是很有害和不允许的，所以复合材料涂层不仅要具有优异的高温耐磨性能，还应具有一定的高温减摩性能。涂层常见的制备方法有热喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和激光熔覆。但是受电弧喷涂、热喷涂及等离子喷涂工艺本身所限，涂层与基材之间为机械结合，结合强度有限，且涂层组织疏松，在强烈磨损工况下涂层易于开裂和脱落。激光熔覆技术是利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料快速熔凝在基体材料表面并与基体形成冶金结合，构成与基体成分和性能完全不同的高性能合金熔覆层。其优点是：涂层组织致密、孔隙率较低；晶粒细小、宏观力学性能较高（细晶强化）；与基体形成冶金结合、结合强度很高。

传统的复合涂层材料只是单一的提高钛合金表面的硬度及高温耐磨性能，但很多情况下却加剧了对偶件的磨损，这是非常有害和不允许的。常规工艺如热喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等工艺也常被用来对钛合金进行表面改性，以提高钛合金的摩擦磨损性能。但是电弧喷涂、热喷涂及等离子喷涂工艺本身所限，涂层与基材之间为机械结合，结合强度有限，且涂层组织疏松，在强烈磨损工况下涂层易于开裂和脱落。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种能有效延长零部件的服役寿命，且节约成本、保护环境，应用于激光熔覆工艺制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末,得到的涂层提高了钛合金表面的高温耐磨减摩性能，拓宽了Ti6Al4V钛合金的应用范围和领域。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种用于制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末，它为粉末组合物，按质量百分数， 包括NiCr和Cr₃C₂的合金复合粉85%～92%，WS₂ 8%～15%；所述的粉末组合物中，镍元素的质量百分数为16%～19.5%，铬元素的质量百分数为60%～70%，碳元素的质量百分数为4%～8%。

本发明的一个优化方案为：所述包括NiCr和Cr₃C₂ 的合金复合粉，其中，NiCr为 38%，Cr₃C₂为62%。

如上所述的一种用于制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末的应用，应用于激光熔覆工艺,在钛合金Ti6Al4V表面得到连续的自润滑耐磨复合材料涂层,所述复合材料涂层的成份包括 (Cr, W)C、TiC 和CrS；

所述激光熔覆工艺条件为：

激光器：            CO₂气体激光发生器；

激光功率：          1200～1500 W； 

激光扫描速度：      4 mm/s～6mm/s；

激光扫描形式：      单道激光扫描。

本发明所述激光熔覆工艺条件提供的优化方案是：激光功率为1200W，激光扫描速度为4mm/s，或6mm/s。；还可以是：激光功率为1500W，激光扫描速度为4mm/s，或6mm/s。

本发明的原理为：碳化铬(Cr₃C₂)具有优异的高温耐磨性，在磨损过程能够起到抗磨骨干的作用。本发明提供的复合材料涂层用粉末，经激光熔覆工艺得到的复合涂层材料中，Cr₃C₂的含量高达60%以上；镍铬合金(NiCr)具有优异的高温抗氧化性，且在涂层中能够起到连接支撑的作用，本发明中NiCr的含量为30%；WS₂是一种重要的固体润滑材料，本发明加入10%左右的二硫化钨(WS₂)，WS₂为层状的晶体结构，沿着滑移面容易被剪切而形成转移膜，具有优异的减摩效用；包括NiCr、Cr₃C₂ 和WS₂的粉末组合物，在激光熔覆工艺条件下，与钛合金Ti6Al4V反应生成的(Cr, W)C 和TiC增强相，增加了涂层的硬度，起到了耐磨作用，生成的TiS₂和CrS具有自润滑性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、碳化铬(Cr₃C₂)作为一种陶瓷材料，具有很高的强度、硬度、熔点和极好的热稳定性，本发明将其用作于耐磨材料的增强相，具有优异地抗磨作用；镍铬合金(NiCr)因其具有优异的高温耐磨及抗氧化性能，用作于材料的韧性相，能够为材料提供良好地支撑连接作用。

2、本发明以二硫化钨（WS₂）作为润滑相，有效地减轻高温耐磨复合涂层自身及其对偶件的摩擦磨损，大幅度提高其高温耐磨寿命；且反应生成的(Cr, W)C 和TiC增强相，增加了涂层的硬度，起到了耐磨作用，更重要的是生成的TiS₂和CrS具有自润滑性能。同时，二硫化钨（WS₂）相比Ag等贵金属价格便宜，性价比高。

3、本发明采用金属激光熔覆技术具有能量输入密度高、加热和冷却速度快、稀释率低、热变形小等突出特点，可以获得组织细小致密、与基体呈牢固冶金结合的涂层材料，显著提高材料的综合力学性能。

附图说明

图1是二硫化钨（WS₂）粉末的SEM图；

图2 是本发明实施例提供的一种NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂混合合金粉末的SEM图；

图3 是本发明实施例提供的Ti6Al4V、NiCr/Cr₃C₂及NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂复合材料涂层的摩擦系数试验对比图；

图4 是本发明实施例提供的Ti6Al4V、NiCr/Cr₃C₂及NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂复合材料涂层的磨损率测试对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1：

(1) 按下述重量百分数配制粉末：NiCr/Cr₃C₂ 合金复合粉90%，二硫化钨(WS₂) 10%， NiCr/Cr₃C₂ 合金复合粉的组成为NiCr38%，Cr₃C₂62%，所配制的粉末中，镍元素的含量为18%。用机械球磨法获得合金粉末混合物并烘干；参见附图1，它是本实施例中二硫化钨（WS₂）粉末的SEM图；WS₂属于六方晶系，由图可以看出，它具有层状的晶体结构，粉末粒度比较小，约为1μm，因此，沿着滑移面容易被剪切而形成转移膜。参见附图2，它是本实施例提供的一种NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂混合合金粉末的SEM图；由图可以看出，合金粉末混合均匀，在粒度较大的NiCr/Cr₃C₂复合粉末表面粘附有粒度较小的WS₂粉末。

(2) 用乙醚溶解甲基纤维素作为粘接剂，与上述混合合金粉末调和成糊状，在Ti6Al4V钛合金基体表面涂敷成预铺涂层，并烘干。

(3) 采用功率密度为1.2kW的激光束辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹入惰性气体-氮气以避免熔池氧化；激光发生器为CO₂气体激光器，激光扫描速度为4mm/s。

(4) 根据涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描，即可得到一种高温自润滑耐磨复合材料涂层。经检测，涂层的组份为(Cr, W)C、 TiC WS₂ 、TiS₂和CrS；形成的涂层厚度约为1mm，涂层有较好的外观形貌，能够达到很好的耐磨减摩效果。

实施例2：

(1) 按下述重量百分数配制粉末：NiCr/Cr₃C₂ 复合粉90%，二硫化钨(WS₂) 10%， NiCr/Cr₃C₂ 合金复合粉的组成为NiCr38%，Cr₃C₂62%，所配制的粉末中镍元素的含量为16%。用机械球磨法获得合金粉末混合物并烘干；

(2) 用乙醚溶解甲基纤维素作为粘接剂，与上述混合合金粉末调和成糊状，在Ti6Al4V钛合金基体表面涂敷成预铺涂层，并烘干；

(3) 采用功率密度为1.2kW的激光束辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹入惰性气体-氮气以避免熔池氧化；所述激光发生器为CO₂气体激光器，激光扫描速度为6mm/s；

(4) 根据涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描，即可得到一种高温自润滑耐磨复合材料涂层。经检测，涂层的组份为(Cr, W)C、 TiC WS₂ 、TiS₂和CrS；形成的涂层厚度约为1mm，涂层有较好的外观形貌，能够达到很好的耐磨减摩效果。

实施例3：

(1) 按下述重量百分数配制粉末：NiCr/Cr₃C₂ 复合粉90%，二硫化钨(WS₂) 10%， NiCr/Cr₃C₂ 合金复合粉的组成为NiCr：38%，Cr₃C₂：62%，所配制的粉末中，镍元素的含量为19%。用机械球磨法获得合金粉末混合物并烘干；

(2) 用乙醚溶解甲基纤维素作为粘接剂，与上述混合合金粉末调和成糊状，在Ti6Al4V钛合金基体表面涂敷成预铺涂层，并烘干；

(3) 采用功率密度为1.5kW的激光束辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹入惰性气体-氮气以避免熔池氧化；所述激光发生器为CO₂气体激光器，激光扫描速度为4mm/s；

(4) 根据涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描，即可得到一种高温自润滑耐磨复合材料涂层。经检测，涂层的组份为(Cr, W)C、 TiC WS₂ 、TiS₂和CrS；形成的涂层厚度约为1mm，涂层有较好的外观形貌，能够达到很好的耐磨减摩效果。

实施例4：

(1) 按下述重量百分数配制粉末：NiCr/Cr₃C₂ 复合粉90%，二硫化钨(WS₂) 10%， NiCr/Cr₃C₂ 合金复合粉的组成为NiCr38%，Cr₃C₂62%，所配制的粉末中，镍元素的含量为18%。，用机械球磨法获得合金粉末混合物并烘干；

(2) 用乙醚溶解甲基纤维素作为粘接剂，与上述混合合金粉末调和成糊状，在Ti6Al4V表面涂敷成预铺涂层，并烘干；

(3) 采用功率密度为1.5kW的激光束辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹入惰性气体-氮气以避免熔池氧化；所述激光发生器为CO₂气体激光器，激光扫描速度为6mm/s； 

(4) 根据涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描，即可得到一种高温自润滑耐磨复合材料涂层。经检测，涂层的主要组份为(Cr, W)C、 TiC WS₂ 、TiS₂和CrS；形成的涂层厚度约为1mm，涂层有较好的外观形貌，能够达到很好的耐磨减摩效果。

实施例5：

(1) 按下述重量百分数配制粉末：NiCr/Cr₃C₂ 复合粉90%，二硫化钨(WS₂) 10%， NiCr/Cr₃C₂ 合金复合粉的组成为NiCr38%，Cr₃C₂62%，所配制的粉末中，镍元素的含量为16%。用机械球磨法获得合金粉末混合物并烘干；

(2) 用乙醚溶解甲基纤维素作为粘接剂，与上述混合合金粉末调和成糊状，在Ti6Al4V表面涂敷成预铺涂层，并烘干；

(3) 采用功率密度为1.5kW的激光束辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹入惰性气体-氮气以避免熔池氧化；所述激光发生器为CO₂气体激光器，激光扫描速度为4mm/s；

(4) 根据涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描，即可得到一种高温自润滑耐磨复合材料涂层。经检测，涂层的主要组份为(Cr, W)C、 TiC 和CrS。

实施例6：

(1) 按下述重量百分数配制粉末：NiCr/Cr₃C₂ 复合粉90%，二硫化钨(WS₂) 10%， NiCr/Cr₃C₂ 合金复合粉的组成为NiCr38%，Cr₃C₂62%，所配制的粉末中，镍元素的含量为19%。用机械球磨法获得合金粉末混合物并烘干；

(2) 用乙醚溶解甲基纤维素作为粘接剂，与上述混合合金粉末调和成糊状，在Ti6Al4V表面涂敷成预铺涂层，并烘干；

(3) 采用功率密度为1.2kW的激光束辐照所述预铺涂层，同时向熔池吹入惰性气体-氮气以避免熔池氧化；所述激光发生器为CO₂气体激光器，激光扫描速度为6mm/s；

(4) 根据涂层所需面积大小，采用单道激光扫描或多道搭接激光扫描，即可得到一种高温自润滑耐磨复合材料涂层。经检测，涂层的主要组份为(Cr, W)C、 TiC 和CrS。

对本发明技术方案提供的自润滑耐磨复合材料的性能进行测试，其结果如下：

1、磨损试验

分别在室温（20℃）、300℃和600℃条件下测试了激光熔覆NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂复合材料的摩擦磨损行为，其中磨损试验参数分别为：

载荷：500 g；

磨损时间：20 min；

磨损半径：2 mm；

磨损线速度：16.88 mm/min；

对磨件：氮化硅陶瓷球，半径3 mm，硬度16GPa。

以普通Ti6Al4V、激光熔覆不含固体润滑剂的NiCr/Cr₃C₂复合材料为对比例进行相同的测试，试验结果参见图3。图3为Ti6Al4V、NiCr/Cr₃C₂及NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂复合材料涂层的摩擦系数对比图；从图3可以明显看出，在室温（RT）、300℃和600℃，Ti6Al4V的摩擦系数分别为0.44、0.43、0.37；激光熔覆NiCr/Cr₃C₂的摩擦系数分别为0.36、0.34、0.36；激光熔覆NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂复合材料的摩擦系数分别为0.29、0.29、0.35。激光熔覆NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂复合材料的摩擦系数比Ti6Al4V小，这表明添加的固体润滑剂WS₂在室温到600℃范围内显示了优异的减摩作用。在室温和300℃的效果比较明显。

2、磨损率测试

以Ti6Al4V、NiCr /Cr₃C₂及NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂激光熔覆为对比，分别对其形成的复合材料涂层的磨损率进行测试，结果参见附图4。从图4可以看出，激光熔覆制备的两种材料磨损率都低于Ti6Al4V，在室温（RT）、300℃和600℃，Ti6Al4V的磨损率分别为5.12、1.39、0.89；激光熔覆NiCr/Cr₃C₂的磨损率分别为3.2、1、0.78；本发明提供的激光熔覆NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂复合材料的磨损率分别为0.94、0.64、0.62。其中含固体润滑剂WS₂的NiCr/Cr₃C₂复合材料在常温到600℃时的磨损率低于不含润滑剂的；在常温时含固体润滑剂WS₂的NiCr/Cr₃C₂复合材料自润滑效果特别的明显。因此，本发明激光熔覆制备的NiCr/Cr₃C₂-10%WS₂复合材料，从室温到300℃的宽广范围内都具有明显的减摩耐磨性能。

Claims (5)

1.一种用于制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末，其特征在于：它为粉末组合物，按质量百分数， 包括NiCr和Cr₃C₂的合金复合粉85%～92%，WS₂ 8%～15%；所述的粉末组合物中，镍元素的质量百分数为16%～19.5%，铬元素的质量百分数为60%～70%，碳元素的质量百分数为4%～8%。

2.根据权利要求1所述的一种用于制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末，其特征在于：所述包括NiCr和Cr₃C₂ 的合金复合粉，其中，NiCr为 38%，Cr₃C₂为62%。

3.如权利要求1所述的一种用于制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末的应用，其特征在于：应用于激光熔覆工艺，在钛合金Ti6Al4V表面得到连续的自润滑耐磨复合材料涂层，所述复合材料涂层的成份包括 (Cr, W)C、TiC 和CrS；

所述激光熔覆工艺条件为：

激光器：            CO₂气体激光发生器；

激光功率：          1200～1500 W； 

激光扫描速度：      4 mm/s～6mm/s；

激光扫描形式：      单道激光扫描。

4.根据权利要求3所述的一种用于制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末的应用，其特征在于：所述激光熔覆工艺条件，激光功率为1200W，激光扫描速度为4mm/s，或6mm/s。

5.根据权利要求3所述的一种用于制备钛合金表面自润滑耐磨复合材料涂层的粉末的应用，其特征在于：所述激光熔覆工艺条件，激光功率为1500W，激光扫描速度为4mm/s，或6mm/s。

Images