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材料表界面科学与技术湖南省重点实验室刘秀波教授团队
  在新型耐磨减摩复合涂层材料研究领域取得进展
 发表时间:2021-09-10 12:33:00 点击次数:0
 

航空航天、工程机械、轨道交通、石化冶金、能源动力等重大装备和工业生产中,大量关键运动副机械零部件,在高温高压、高速重载、腐蚀冲刷等苛酷服役环境下磨损失效,严重制约装备性能和生产效率,甚至酿成重大事故。表面涂层与强化技术,是解决上述问题最有效和最经济的手段,选用合适的涂层制备工艺并研制出同时具有优异耐磨、减摩、耐高温氧化等综合性能的新型涂层材料,建立相应的耐磨减摩理论,意义重大。

近期,材料表界面科学与技术湖南省重点实验室刘秀波教授课题组以高能激光束和等离子束为热源,通过材料多相混杂复合,开展了激光熔覆/等离子堆焊系列金属基和陶瓷基自润滑耐磨复合涂层材料体系设计、制备、抗氧化性能与摩擦学性能优化及相关机理和数值模拟等方面的应用基础研究,为关键金属运动部件表面强化与延寿的应用基础研究提供了有益参考,研究成果已获得湖南省自然科学奖二等奖和中国商业联合会科技进步二等奖。

 

新型钼硅基材料MoSi2,具有高熔点(2030 ℃),高硬度(8.5 GPa),较低的热膨胀系数(8.1×106 K1) 以及适中的密度(6.24 g/cm3),抗氧化温度可达到1600 ℃以上,常用于提高金属材料的耐磨性,但由于其金属间化合物的本质而脆性较大,限制了其作为整体材料而广泛应用于运动部件。研究人员通过在TC4合金上激光熔覆Ni-Mo-Si混合粉末,制备出以韧性相NiTi/α-Ti为基体,Ti5Si3/Mo5Si3/MoSi2多相金属硅化物为增强相及抗氧化相的复合涂层材料。这种“三明治”式结构使涂层表面硬度增大为基体的2.6倍,抗氧化性能获得明显提升,如图1所示。在100h/800℃高温恒温氧化试验中,因生成的SiO2NiO致密氧化膜阻断了氧原子向内扩散,表现出良好的抗氧化性。该工作实现了涂层材料同时兼具耐磨减摩与高温抗氧化性能的目标,为“鱼与熊掌兼得”提供了借鉴,研究结果发表在Surface & Coatings Technology(2019, 372, 56–64中国表面工程(2018, 31(6), 109-117

1 Ti5Si3/MoSi2/Mo5Si3增强α-Ti/NiTi 复合涂层的显微硬度及高温氧化动力学曲线

为深入研究不同复合涂层中基体、润滑相和增强相之间的作用机制与适用范围,课题组还在TA2钛合金表面激光熔覆了Ti-TiC-WS2自润滑复合涂层,结果如图2所示,由于熔池中TiC(Ti, W)C1-x等硬质碳化物的生成及弥散分布,使涂层的硬度大幅提升至1005.4HV,涂层的磨损率降低了77%;同时由于TiSTi2SC等金属硫化物及其氧化物的协同润滑作用,在250℃以下均表现出明显的减摩作用;但随温度提升至500℃,氧化磨损占据主导,润滑机制开始失效,摩擦系数上升,氧化物的耐磨效果增强。此外通过后续时效处理(300~700℃/1h),发现高温下由于原子扩散可有效减缓涂层中的残余应力,降低微动磨损后的表面粗糙度。相关结果发表在Optics and Laser Technology (2019, 119, 105599)Journal of Materials Research and Technology (2020, 9(3), 6397-6408)

 

2 Ti-TiC-WS2自润滑复合涂层在不同温度下的摩擦学性能及磨损机理模型

MAX相是一类新型三元层状陶瓷材料,如Ti3SiC2V2AlC等,由于其特殊的各向异性及可滑移结构,兼具结构陶瓷和功能陶瓷的性能,很快成为陶瓷材料/复合材料领域的“新宠”。事实上其优异的润滑性能及高温稳定性也引起了材料表界面领域研究人员的密切关注,但目前对于其在高能束(激光熔覆、等离子堆焊)制备复合涂层中的系统研究还很少。研究人员将Ti3SiC2Ni60自熔性粉末以不同比例进行混合,分别在304不锈钢和TC4钛合金基体上进行激光熔覆制备系列涂层,以探究在不同基体、不同温度环境下Ti3SiC2的润滑效果与作用机制。结果表明在不同基体上,该复合涂层中Ni60起到了连续相及粘接润滑相的作用,而Ti3SiC2则主要承担润滑功能,尤其是在低掺杂量(5 wt.%)时,600℃下摩擦系数分别比基体降低了45.1%36.2%。但在耐磨性上,由于基体的不同,Ti元素在高温下形成的氧化膜可有效形成协同润滑作用,而Fe元素的氧化物则疏松多孔,导致高温下磨损率反而上升,激光熔池中主要化学冶金反应过程如图3所示。该研究初步探索了MAX相在宽温域下摩擦磨损过程中的结构演变及作用机制,相关工作发表在Ceramics International (2020, 46(18), 28996-29010)Surface & Coatings Technology (2021, 420, 127335)摩擦学学报 (2021, 41(03), 414-422) 此外,在该材料设计理念基础上,额外添加一定含量Cu作为补充,由于Cu是一种具有良好延展性的软金属,涂层在摩擦过程中可产生塑性变形快速适应对磨件表面,可减少摩擦磨损;同时Ti3SiC2的层间滑动以及熔覆过程中产生的硬质相起到耐磨骨干作用,两者形成良好的协同互补,使得所制备的Co-Ti3SiC2/Cu复合涂层既“硬”又“韧”,其耐磨减摩性能进一步提升。该工作完善了Ti3SiC2这类新型固体润滑材料的润滑机理,开阔了高能束制备自润滑耐磨复合涂层材料的研究思路。最新研究成果已发表于Surface & Coatings Technology (2021, 424, 127664)

 

 

3  Ni60-Ti3SiC2复合涂层激光熔覆熔池中主要化学冶金反应过程

    硕士研究生周仲炎、王勉、柯金、梁珏、欧阳春生、汪阳、刘一帆和祝杨为上述论文的第一作者,刘秀波教授为通讯作者,研究工作核心知识产权已获8项中国发明专利授权。

以上工作得到了国家自然科学基金、湖南省重点研发计划项目、湖南省自然科学基金、中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验开放基金、高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室(河南科技大学)开放基金以及长沙市科技计划重点项目的支持。

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