Page 130 - 《摩擦学学报》2021年第3期

第 3 期 祝杨, 等: Ti6Al4V合金激光熔覆Ti 3 SiC 2 增强Ni60复合涂层组织与摩擦学性能 419

45 合图4的显微硬度曲线可以得出：因为N2表层硬度高，
Ti6Al4V alloy 这些硬质相一方面减轻了对摩擦对偶球接触应力产
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Wear rate/[10 −5 mm 3 /(N·m)] 30 生的严重塑性变形，避免γ-Ni固溶体基质及润滑相
N1 coating
N2 coating
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Ti SiC 承受更多的磨损 ；另一方面在自身被拔出或
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3
2
剥落后，在运动过程中对磨损表面进行了犁削，导致
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微的黏着磨损及塑性变形是两种涂层的主要磨损机理.
5 了划痕及裂纹的出现. 综上，在室温下，磨粒磨损、轻
从图8(c2)和(d2)中可以看到N1涂层在300 ℃下仍
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RT 300 600 然存在塑性变形及黏着，但相较于室温下有所改善，
Temperature/℃
磨屑主要呈层片状. 表5中的EDS结果显示N1涂层中

Fig. 7 The wear rates of Ti6Al4V alloy and N1, N2 coatings
at different temperatures O元素质量分数达到了19.36%，说明温度上升时涂层
图 7 Ti6Al4V合金和N1、N2涂层在不同温度下的磨损率 表面形成了氧化膜，但在反复摩擦磨损中发生脆性断
裂并剥落，而在磨损过程中并不能及时生成新的氧化
表面和磨屑形貌. 室温下，由图8(a1)和(b1)可知，基体
膜来进一步保护涂层，导致摩擦对偶球与涂层表面发
表层硬度低，致使其在摩擦过程中形成了塑性变形和
生黏着并产生塑性变形. 因此，在300 ℃下，氧化磨
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黏着，并出现犁沟以及团聚的颗粒粉末状磨屑 ，因
损、塑性变形和黏着磨损是N1涂层的主要磨损机理.
此基体的磨损主要由磨粒磨损、黏着磨损和塑性变形
另外，结合图8(e2)和(f2)可知，N2涂层的磨损表面沿
三种机理作用形成. 随着温度升高至300 ℃，从图8(a2)
摩擦运动方向呈现出严重的塑性分层及犁削现象，磨
和(b2)可以明显地看到，在合金表面，犁沟和塑性变形
屑主要为粉末状颗粒及片状剥落物，与N1区别较大.
的现象减轻，磨屑尺寸增大，由室温下的粉末状变为
两种涂层间存在差异的主要原因如下：一是N2涂层表
颗粒状及层片状，这是由于合金表面形成了氧化膜，
面陶瓷相TiC/TiB的增加导致形成的氧化膜与表面之
但此时的氧化膜与涂层结合力较差，在磨损过程中易
间结合不紧密，氧化膜易发生层状剥落，并留在磨损
分离剥落形成块状碎屑，部分碎屑被反复研磨成小颗 表面上，形成三体磨粒磨损，导致了表面粗糙度和摩
粒；600 ℃时，如图8(a3)和(b3)所示，由于温度较高及 [28]
擦系数的增加 ；二是Ti SiC 含量的增加使得磨损表
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升温的时间延长，合金表面氧化程度加重，生成的氧
面更容易发生黏着现象，进一步解释了300 ℃时N2涂
化膜变厚，磨损表面的塑性变形进一步减轻，表面较 层摩擦系数上升. 因此，在300 ℃下，三体磨粒磨损、
为平整且嵌入的硬质颗粒减少，主要磨损类型为犁沟
黏着磨损和氧化磨损是两种涂层的主要磨损形式.
和剥落，其产生的磨屑与300 ℃下的基本一致. 因此在 N1涂层在600 ℃下的磨损表面和磨屑形貌如
高温磨损过程中，Ti6Al4V合金的表面是由氧化磨损、 图8(c3)和(d3)所示，磨损表面有明显分层现象和细微
黏着磨损、磨粒磨损以及轻微的塑性变形等机理主导. 划痕，黏着痕迹也仍然存在. 磨屑主要为粉末状颗粒
图8(c1)和(d1)显示出N1涂层磨损表面的主要表 及层片状剥落物，结合表5的EDS结果可知，O元素的
现为塑性变形、剥落及些许的黏着，但较合金基体情 质量分数达到了43.97%，说明温度的上升以及升温时
况明显减轻，说明Ti SiC 抗剪切强度较低，易形成层 间的延长，能使表面氧化程度大大加重，并且B、C和
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[24]
间滑动，在磨损过程中能有效地降低摩擦 . N1涂层 Ni元素的含量均降低，说明磨屑大部分为脱落的氧化
的磨屑主要为粉末状颗粒，表5中的EDS结果显示磨 膜 [29] . 其磨损过程可推测如下：在高温磨损过程中，
屑中含有较多的Ti、B、C、Ni和Si，结合图2及表4可以 N1涂层表面生成的致密氧化膜被剥离、脱落，随后继

推测出其主要由硬质相TiC/TiB、润滑相Ti SiC 及部 续生成新的氧化膜 ，并与Ti SiC 协同润滑，使磨粒
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3
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分γ-Ni固溶体基质构成，说明室温下的磨损过程中， 无法进一步侵入表面形成更严重的磨损，导致表面氧
N1涂层表面发生了硬质相剥落，并形成磨粒磨损. 根 化膜分层，部分剥落的氧化物在磨损过程中被研磨成
据图8(e1)和(f1)可知，N2涂层的磨损表面较N1平整， 细小颗粒. 如图8(e3)和(f3)所示，N2涂层磨损表面同
但也有剥落、塑性变形以及磨粒磨削后产生的微裂 样存在黏着痕迹、氧化膜脱落以及塑性变形现象，其
纹，其磨屑形貌与N1基本一致，表5中的EDS结果显示 产生的磨屑也与N1涂层相似. 表5中的EDS结果也与
C、B和Ti的含量比N1涂层多，而Si和Ni的含量减少. 结 N1涂层相似. 因此，在600 ℃下，磨粒磨损、黏着磨损