402 / 2022-10-09 21:09:49

TiAl合金表面DLC复合涂层高温摩擦性能研究

TiAlN,DLC 薄膜

γ-TiAl金属间化合物（以下称TiAl合金）具有高的比强度、比模量，良好的抗髙温疲劳、抗蠕变和抗氧化腐蚀等性能，是航空航天、先进舰船、军用战机等发动机领域极具竞争力的尖端战略结构材料。然而，TiAl合金仍存在硬度较低、耐磨性差、抗高温氧化性不足等缺陷，使其应用受到限制。因此，需要提高TiAl合金的耐磨、减摩性能。

硬质耐磨涂层是目前常用的钛合金表面耐磨增强的技术手段之一。其中，与TiAl合金成分相近的TiAlN涂层具有优异的高温耐磨损性能，具有热硬性高、氧化稳定性好、附着力强、热导率低等优良特性。然而，TiAlN涂层作为氮化物涂层，其摩擦系数较大，减摩性能不足。碳基涂层的典型代表——类金刚石（DLC）涂层，以高硬度和低摩擦系数而成为优异耐磨减摩涂层的优选材料。通过调控DLC涂层的sp3/sp2比值、涂层微观结构、掺杂等方式，可以在极大的范围内调控其力学及摩擦学性能，从而获得综合性能优异的涂层。在DLC涂层中掺杂Si等元素，也可以提升其耐高温性能。

针对基于以上设计理念，团队开发了两种TiAlN+DLC硬质复合涂层，并通过高温摩擦磨损测试，获得了两种涂层在不同温度、不同载荷及针对不同摩擦副材料（Ti-6Al-4V、黄铜、9Cr18 不锈钢、钴基碳化钨）的摩擦系数、磨损率等摩擦学特性，分析了复合薄膜各层厚度、成分、硬度及均匀性等。

团队开发的TiAlN+DLC复合耐磨减摩涂层厚度约为8～10um，涂层由依次位于基体上的第一附着力增强层TiAl、第一过渡层TiAl(N)、高温耐磨层TiAlN、第二过渡层TiCr(N)、第二附着力增强层TiCr、耐磨润滑层DLC或掺硅DLC等组成。之后，我们对两张涂层进行了高温摩擦磨损测试，对上述提到的4种摩擦副材料，两种涂层的磨损率都极低，估算低于10^-17m³/Nm。

两种涂层与Ti6Al4V（TC4）配合时，表现出了（四种摩擦副材料中）最低且稳定的摩擦系数。值得注意的是，两种涂层对9Cr18和TC4摩擦副材料的磨损率相当（TC4略高），但考虑到9Cr18硬度高达～HV650，可以推断，两种涂层与TC4配合时，固体润滑转移膜更易形成，因此固体润滑效果更好，使得磨损率保持在较低水平。

考虑到TC4的热膨胀系数、密度、成分等均与TiAl合金相似，因此上述两种复合涂层与TC4所组成摩擦配副展现出的优异高温耐磨减摩性能表明，团队开发的TiAlN+DLC复合耐磨减摩涂层在TiAl合金表面强化应用领域，具有良好的应用前景。