钛合金因具有较高的比强度、低模量、优异的耐腐蚀性、良好的生物相容性而广泛应用于交通运输、海洋工程、化工医学等诸多领域。然而，由于钛合金较低的塑性剪切抗力和应变硬化程度，导致其表面耐磨性能较差，大大制约了钛合金在摩擦条件下的应用与发展。在钛合金表面制备陶瓷相增强金属基复合涂层，涂层与基体呈良好的冶金结合，能够有效地提高基材的硬度及耐磨性能。熔覆技术是制备陶瓷相增强金属基复合涂层的有效手段之一，其利用高能量束所产生的高温将金属陶瓷粉末熔化在工件表面，形成与基体冶金结合的涂层。其中，以激光束为热源的激光熔覆是一种新型的复合涂层制备技术。等离子弧熔覆技术（Plasma Arc Cladding）是通过等离子束流熔化涂层材料及基体表面的薄层，可在材料表面获得与基体呈冶金结合的表面功能涂层，具有非常大的市场应用前景。本研究以TiB2 和 Ti 混合粉末为原料，采用等离子弧熔覆技术，在T47Z 合金表面制备了 TiBx/Ti 合金涂层，对比研究了添加不同 TiB2 含量的涂层的组织形貌及表面物相组成，对复合涂层的摩擦学性能进行了测试。最后对其磨损机理进行了讨论，以促进 T47Z 合金表面改性技术的发展，为钛合金钻杆在深井钻采环境中的应用提供理论基础。
C10 试样纵截面宏观形貌与熔合线区域线扫描结果
不同 TiB2 含量涂层的 XRD 图谱
C40 试样增强相 EDS 成分分析结果
不同 TiB2 含量涂层的磨痕轮廓
1）在 Ti-47Zr-5Al-3V 合金表面等离子熔覆不同配比的 TiB2+Ti 粉末，制备出无裂纹、孔隙，与基体呈良好冶金结合的TiBx/Ti 合金复合涂层。当 TiB2 的质量分数低于 50%时，复合涂层的物相为 α 相、针状及棒状的 TiB 增强相和颗粒状的 TiB2 增强相。当 TiB2 的质量分数达 50%时，在涂层表面还检测到条状的 Ti3B4相。
2）由于第二相强化作用，涂层的硬度均获得提升。当 TiB2的质量分数为 40%时，涂层显微硬度的提高最为显著，其硬度最高可达 893.4HV0.2，约为基体硬度的 2.07 倍。
3）TiB2的质量分数为 40%的涂层的耐磨性提升最明显，其磨损率下降至0.174 2×10–3 mm3/(N·m)，相较于基体的 0.376 1×10–3 mm3/(N·m)，耐磨性提高 53.7%。T47Z 合金的磨损机制为严重的黏着磨损和磨粒磨损。TiB2 的质量分数为 10%涂层的磨损机制以黏着磨损为主，磨粒磨损为辅。随着 TiB2 含量的升高，涂层的磨损机制逐渐转向磨粒磨损。TiB2的质量分数为 40%涂层的磨损机制以磨粒磨损为主，黏着磨损为辅。
寇斐凡, 岳赟, 杜志浩, 等. TiB2 含量对 TiBx/Ti 合金涂层组织及摩擦学性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(11): 140-149.
KOU Feifan, YUE Yun, DU Zhihao, et al. Effect of TiB2 Content on Microstructure and Tribological Properties of TiBx/Ti Alloy Coatings[J]. Surface Technology, 2024, 53(11): 140-149.
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审核|汪 潇
编辑|邓李旸
