前言

鈦合金因具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、耐腐蝕與生物相容性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-5]。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，鈦合金不可避免地存在摩擦與磨損問(wèn)題，鈦合金較差的耐磨性會(huì)嚴(yán)重影響其作為工作部件的可靠性與服役壽命。

表面改性技術(shù)是提高鈦合金耐磨性的主要方法，現(xiàn)有表面改性技術(shù)主要包括物理氣相沉積[6]、化學(xué)氣相沉積[7]、噴涂[8]、滲氮[9]、滲碳[10]、微弧氧化[11]等，但是這些技術(shù)通常存在涂層與基材結(jié)合力差、涂層厚度較薄以及苛刻摩擦磨損條件下涂層易剝落等問(wèn)題[12，13]。而與以上技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有制備涂層組織致密且厚度不受限制，涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度高、不易剝落等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于提高鈦合金表面的耐磨性。

采用激光熔覆技術(shù)提高鈦合金表面耐磨性的主要方法是在鈦合金表面制備耐磨和自潤(rùn)滑涂層。在鈦合金表面制備耐磨和自潤(rùn)滑涂層的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整熔覆工藝參數(shù)，使得熔覆粉末在激光高溫作用下快速熔化、凝固形成缺陷較少的涂層，因此，激光熔覆工藝是決定涂層耐磨性的重要因素[14]。除此之外，涂層的組分也是影響涂層耐磨性的重要因素。耐磨涂層由硬質(zhì)相和基體相組成，自潤(rùn)滑涂層由硬質(zhì)相、基體相和自潤(rùn)滑相組成。硬質(zhì)相能夠提高涂層的硬度進(jìn)而提高涂層耐磨性；基體相能夠提高涂層韌性與潤(rùn)濕性進(jìn)而提高涂層的綜合性能；自潤(rùn)滑相則能夠減小涂層摩擦系數(shù)進(jìn)而提高涂層減磨性。因此本文綜述了激光熔覆工藝和涂層組分(硬質(zhì)相、基體相和自潤(rùn)滑相)特征對(duì)涂層耐磨性的影響規(guī)律。

1、激光熔覆工藝對(duì)涂層耐磨性的影響

采用激光熔覆技術(shù)制備的耐磨和自潤(rùn)滑涂層與基體的物理性質(zhì)(彈性模量、熱膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)等)存在較大差異，因此涂層易出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。合適的激光熔覆工藝可以減少涂層中的各種缺陷，提高涂層的耐磨性。激光熔覆工藝包括熔覆工藝參數(shù)和輔助工藝，熔覆工藝參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、比能量等參數(shù)。

1.1激光功率

激光功率大小對(duì)涂層宏觀形貌、缺陷、組織、硬度有顯著的影響[15-17]。崔愛(ài)永等[18]研究了激光功率大小對(duì)涂層宏觀形貌的影響(見(jiàn)表1)，由表1可知，涂層的稀釋率、熔池的深度隨著激光功率增大而增大，而涂層的宏觀形貌基本不受激光功率大小的影響。翁飛[19]研究了激光功率對(duì)涂層缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)較低的激光功率使得熔池中的氣體來(lái)不及逸出形成氣孔缺陷；較高的激光功率使得熔覆材料充分熔融、氣孔缺陷減少。

馬永[20]研究了激光功率對(duì)涂層組織和硬度的影響，發(fā)現(xiàn)高激光功率使得涂層組織致密、分布均勻、硬度提高。通常情況下，激光功率大小的選擇原則是在保證涂層形貌較為平整、涂層稀釋率低于5％的情況下，盡可能提高激光功率[12]。

1.2掃描速度

掃描速度會(huì)影響熔覆粉末的熔化狀態(tài)，進(jìn)而影響涂層的耐磨性。掃描速度較低時(shí)，熔覆粉末能夠充分熔融；而掃描速度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致熔覆粉末過(guò)燒、粉末中的合金元素蒸發(fā)；掃描速度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致熔覆粉末不能完全熔化[12，16，21]。Ｌｉ等[22]研究了掃描速度對(duì)Ｔｉ＋ＴｉＢＣＮ熔覆粉末制備的涂層稀釋率、耐磨性的影響規(guī)律，結(jié)果如圖1所示，隨著掃描速度的增加，涂層的稀釋率降低、顯微硬度先增大后減小，摩擦系數(shù)、磨損質(zhì)量損失和磨損體積先減小后增大，當(dāng)掃描速度為7ｍｍ/ｓ時(shí)，涂層綜合性能最優(yōu)。而譚金花等[23]研究了掃描速度對(duì)ＴＣ4＋Ｎｉ60＋ｈ-ＢＮ熔覆粉末制備的涂層的影響規(guī)律，結(jié)果表明掃描速度為10ｍｍ/ｓ的涂層綜合性能最優(yōu)。因此在不同的熔覆粉末體系中，最優(yōu)的掃描速度存在差異。

1.3光斑直徑和比能量

光斑直徑?jīng)Q定了涂層熔池寬度與光斑單位面積上的能量輸入。大光斑直徑可以增加熔池寬度，但降低了能量輸入，而小光斑直徑使得涂層缺陷減少、組織致密，但會(huì)導(dǎo)致激光熔覆時(shí)間增加，不利于激光熔覆技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用[24，25]。

為了研究光斑直徑Ｄ、掃描速度ｖ和激光功率Ｐ三者對(duì)涂層的共同作用效果，研究人員提出了比能量Ｅ的概念，比能量Ｅ表示涂層單位面積受到激光照射能量的大小(Ｅ＝Ｐ/ＤＶ)[12]。Ｓｕｉ等[26]研究了比能量對(duì)Ｔｉ3Ａｌ復(fù)合ＴｉＮ＋Ｔｉ3ＡｌＮ涂層的影響規(guī)律，結(jié)果表明比能量增加會(huì)提高涂層綜合性能，但涂層稀釋率也會(huì)增加；比能量減小則會(huì)導(dǎo)致涂層組織分布不均勻、缺陷增加；比能量為58.3Ｊ/ｍｍ2時(shí)，涂層氣孔、裂紋缺陷最少、耐磨性能最優(yōu)。但是Ｌｉｕ等[27]研究了比能量對(duì)ＴｉＣ＋ＴｉＢ2涂層的影響，結(jié)果表明比能量為45Ｊ/ｍｍ²的涂層耐磨性能最優(yōu)。在不同的熔覆材料體系中，熔覆材料的類型、粉末尺寸存在差異，使得涂層達(dá)到最佳性能所需的能量不同，因此比能量只能在相似的熔覆材料體系中作為參考。

1.4輔助工藝

激光熔覆的輔助工藝包括引入旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、超聲振動(dòng)和后熱處理等工藝。引入旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以減小熔池深度和寬度，而對(duì)涂層宏觀形貌、耐磨性的影響較小[28]。合適的超聲振動(dòng)功率可以顯著降低涂層的晶粒尺寸，王維等[29]研究發(fā)現(xiàn)2.2Ｗ的超聲振動(dòng)使得涂層宏觀形貌更加平整，相比無(wú)超聲振動(dòng)的涂層，晶粒尺寸減小了約42％。后熱處理工藝可降低涂層的殘余應(yīng)力，同時(shí)提高涂層的斷裂韌性[30-33]。但不同的后熱處理工藝對(duì)涂層耐磨性的影響存在差異。Ｌｉ等[31]將激光熔覆制備好的涂層(主要由ＷＣ、Ｗ2Ｃ、α-Ｔｉ、Ｔｉ2Ｎｉ和ＴｉＮｉ組成)進(jìn)行熱處理，在500℃下分別保溫1ｈ和2ｈ，然后在空氣中冷卻，涂層的顯微硬度、耐磨性略有降低。而Ｃｈｅｎ等[32]將制備好的鈦基復(fù)合ＴｉＣ＋ＴｉＢ涂層進(jìn)行熱處理，在不同的溫度(400℃、600℃和800℃)下保溫3ｈ，然后在空氣中冷卻，隨著熱處理溫度升高，涂層的硬度、耐磨性提高。

2、硬質(zhì)相特征對(duì)涂層耐磨性的影響

鈦合金表面激光熔覆制備的耐磨涂層通常由硬質(zhì)相與基體相組成。涂層的耐磨性主要由硬質(zhì)相的含量、特征和形成方式?jīng)Q定。硬質(zhì)相的含量占比越高，涂層的耐磨性越好，但硬質(zhì)相含量占比過(guò)高會(huì)導(dǎo)致涂層產(chǎn)生大面積裂紋，甚至剝落。在硬質(zhì)相含量受到限制的情況下，硬質(zhì)相的特征與形成方式成為決定涂層耐磨性的關(guān)鍵因素[34-36]。硬質(zhì)相的形成方式有在熔覆粉末中直接添加硬質(zhì)相顆粒和利用激光高溫原位生成硬質(zhì)相2種方法。本文按照硬質(zhì)相形成方式的不同，分別介紹了不同類型硬質(zhì)相對(duì)涂層的影響情況。

2.1直接添加硬質(zhì)相

直接添加硬質(zhì)相的方法是直接添加高熔點(diǎn)陶瓷相作為熔覆粉末，在激光熔覆過(guò)程中采用較小的激光功率和較高的掃描速度來(lái)避免陶瓷相大量分解，激光熔覆結(jié)束后未分解的陶瓷相作為涂層硬質(zhì)相，提高涂層耐磨性。常見(jiàn)的高熔點(diǎn)陶瓷相主要有ｃ-ＢＮ(立方氮化硼)[21，37]、ＷＣ[35]等。Ｓａｍａｒ等[35]選擇ＷＣ＋ＮｉＣｒＢＳｉ粉末進(jìn)行激光熔覆，如圖2所示，涂層中ＷＣ顆粒的顯微硬度高達(dá)3338ＨＶ，顯著提高了涂層的耐磨性，但是ＷＣ顆粒邊緣受激光高溫影響分解產(chǎn)生了許多小顆粒，增大了涂層開(kāi)裂傾向。

Ｆｕ等[38]采用包覆的方法改善了直接添加硬質(zhì)相在激光高溫作用下容易分解產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題。如圖3所示，無(wú)包覆的ｃ-ＢＮ顆粒在激光高溫作用下分解產(chǎn)生裂紋，在干摩擦試驗(yàn)過(guò)程中，裂紋導(dǎo)致部分ｃ-ＢＮ顆粒破裂形成磨粒磨損，涂層出現(xiàn)窄而深的磨痕。而采用Ｎｉ包覆ｃ-ＢＮ顆粒的熔覆粉末經(jīng)過(guò)激光作用后，ｃ-ＢＮ顆粒幾乎無(wú)裂紋產(chǎn)生，涂層的耐磨性顯著提升[38]。

2.2原位生成硼化物陶瓷相

直接添加硬質(zhì)相顆粒的方法易產(chǎn)生裂紋，對(duì)硬質(zhì)相顆粒增加包覆層雖然會(huì)減少裂紋的產(chǎn)生，但是存在可包覆材料種類少、成本增加的問(wèn)題。而采用原位生成的方法則不存在上述問(wèn)題，原位生成硬質(zhì)相是利用激光高溫作用使得熔覆粉末在熔化狀態(tài)發(fā)生原位反應(yīng)生成硬質(zhì)相。原位生成的硬質(zhì)相主要有硼化物陶瓷相、碳化物陶瓷相、氧化物陶瓷相等。

硼化物陶瓷導(dǎo)熱率較高、高溫穩(wěn)定性好，同時(shí)具有高硬耐磨的特點(diǎn)[36]。采用激光熔覆技術(shù)制備的耐磨涂層中硼化物陶瓷相主要為ＴｉＢ2、ＴｉＢ陶瓷相[39，40]。生成ＴｉＢ2、ＴｉＢ陶瓷相的反應(yīng)吉布斯自由能和反應(yīng)生成焓都為負(fù)值且都為放熱反應(yīng)，因此ＴｉＢ2、ＴｉＢ陶瓷相在涂層中一般會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，此外生成ＴｉＢ反應(yīng)的吉布斯自由能更低，在反應(yīng)充分的情況下，生成ＴｉＢ的反應(yīng)更容易發(fā)生[41-44]。如圖4所示，ＴｉＢ相形貌趨向六邊形針狀，ＴｉＢ2相形貌趨向六邊形板塊狀[41]。劉頔等[45]制備了以ＴｉＢ、ＴｉＮ為主要硬質(zhì)相的耐磨涂層，干摩擦試驗(yàn)表明ＴｉＢ、ＴｉＮ具有釘扎強(qiáng)化作用而顯著抑制了硬質(zhì)相顆粒的剝落，提高了涂層耐磨性。

2.3原位生成碳化物陶瓷相

原位生成碳化物陶瓷相主要為(Ｔｉ，Ｗ)Ｃ1-ｘ[46]、ＴｉＣｘ[47]等。在熔覆涂層的形成過(guò)程中，當(dāng)熔池中含有鈦、碳和鎢元素時(shí)，碳元素優(yōu)先與鈦元素反應(yīng)生成ＴｉＣｘ，當(dāng)碳元素過(guò)飽和時(shí)才會(huì)和鎢元素反應(yīng)生成ＷＣ，然后ＷＣ和ＴｉＣｘ反應(yīng)生成單一固溶體(Ｔｉ，Ｗ)Ｃ1-ｘ，因此(Ｔｉ，Ｗ)Ｃ1-ｘ在涂層中的含量極低，對(duì)涂層耐磨性的影響較小[46，48]。ＴｉＣｘ陶瓷硬度高、彈性模量高、熱力學(xué)參數(shù)和物理參數(shù)與鈦合金相近，因此是激光熔覆制備耐磨涂層中應(yīng)用較多的硬質(zhì)相[46]。ＴｉＣｘ是非定計(jì)量比化合物，受激光熔覆工藝快速熔化快速凝固特點(diǎn)的影響，ＴｉＣｘ形貌各異，如圖5所示，ＴｉＣｘ有枝晶狀、花瓣?duì)睢⑶蛐位虿灰?guī)則形狀等，但不同形貌的ＴｉＣｘ對(duì)涂層耐磨性的影響還缺乏深入的研究[49]。Ｚｈａｏ等[50]制備的以ＴｉＣｘ為硬質(zhì)相的耐磨涂層顯微硬度最高為540ＨＶ。而馬永[20]制備的以ＴｉＢ＋ＴｉＣ為硬質(zhì)相的耐磨涂層顯微硬度最高為1404.6ＨＶ，磨損量相比基體減少了66.67％。ＴｉＣｘ陶瓷作為涂層硬質(zhì)相時(shí)，需要額外添加其他種類的硬質(zhì)相才會(huì)顯著提高涂層的耐磨性。

2.4原位生成氧化物陶瓷相

由于氧化物與液態(tài)金屬的界面能較大，導(dǎo)致大多數(shù)氧化物陶瓷相在涂層中的潤(rùn)濕性較差，因此激光熔覆原位生成氧化物陶瓷的研究較少，只有一些學(xué)者研究了ＺｒＯ2陶瓷、Ａｌ2Ｏ3陶瓷[51-53]。ＺｒＯ2陶瓷除了具有高強(qiáng)度、高硬度外，還具有消除殘余應(yīng)力的作用[51，54]。羅雅等[51]在ＴＡ15合金表面制備的ＴｉＮｉ＋Ｔｉ2Ｎｉ復(fù)合ＺｒＯ2涂層，涂層顯微硬度最高達(dá)到1070ＨＶ，磨損率遠(yuǎn)低于基體。

此外，超聲振動(dòng)的輔助工藝可降低氧化物潤(rùn)濕性差帶來(lái)的不利影響。Ｗａｎｇ等[52]在激光熔覆過(guò)程中增加了超聲振動(dòng)的輔助工藝，制備了含Ａｌ2Ｏ3、Ｗ2(Ｃ，Ｏ)氧化物陶瓷相的涂層，超聲振動(dòng)使得涂層的晶粒細(xì)化，氧化物硬質(zhì)相Ａｌ2Ｏ3、Ｗ2(Ｃ，Ｏ)在涂層中的潤(rùn)濕性有所改善，涂層平均顯微硬度達(dá)到1029.4ＨＶ，耐磨性能優(yōu)異。

3、基體相特征對(duì)涂層耐磨性的影響

在激光熔覆技術(shù)制備的耐磨涂層中，含量占比最高的相為基體相。基體相能夠提高涂層的韌性和潤(rùn)濕性，避免涂層產(chǎn)生過(guò)多裂紋、氣孔等缺陷。耐磨涂層的基體相主要由鈦基、鎳基、鈷基、鋁基及其相互復(fù)合的材料體系形成，因此按照涂層基體相類型，把耐磨涂層分為金屬基復(fù)合陶瓷涂層與金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層。

3.1金屬基體相

金屬基復(fù)合陶瓷涂層的基體相由一種含量占比極高的金屬元素形成。常見(jiàn)的金屬基體相包括鈦基、鎳基、鈷基等，因此金屬基復(fù)合陶瓷涂層又可分為鈦基、鎳基、鈷基復(fù)合陶瓷涂層。鈦基復(fù)合陶瓷涂層的基體相與基材的物理性質(zhì)類似，所以能夠顯著減少涂層的各種缺陷，同時(shí)具有較好的潤(rùn)濕性[55-57]。常見(jiàn)的鈦基體相由鈦粉在激光熔覆過(guò)程中形成，林沛玲等[58]選擇Ｔｉ＋Ｂ粉末制備了鈦基復(fù)合ＴｉＢ陶瓷涂層，顯微硬度偏低(650~770ＨＶ)。而Ｚｈａｏ等[13，59]、Ｌｕ等[60]制備的鈦基復(fù)合ＴｉＯｘ涂層基體相由ＴｉＯ2粉末形成，如圖6所示，涂層組織致密、分布均勻，基材與涂層界面無(wú)裂紋，基材中的鋁元素和釩元素?cái)U(kuò)散到了涂層，表明涂層與基材實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，硬質(zhì)相ＴｉＯｘ使得涂層平均顯微硬度達(dá)到了1583ＨＶ1Ｎ，涂層磨損率僅是基體磨損率0.1倍。

鎳基復(fù)合陶瓷涂層的基體相由鎳基自熔性合金粉末形成。用于激光熔覆的鎳基自熔性合金粉末主要有Ｆ101鎳基合金、Ｎｉ60、Ｎｉ45Ａ、ＮｉＣｒＢＳｉ等粉末[36，61-64]，其化學(xué)元素組成如表2所示。鎳基自熔性合金粉末含有硼、硅等元素，在激光熔覆過(guò)程中具有脫氧作用，而提高涂層的潤(rùn)濕性[36]。鎳基復(fù)合陶瓷涂層的基體相由γ-Ｎｉ組成，γ-Ｎｉ能夠與硅元素、鉻元素、硼化物形成網(wǎng)格狀的枝晶間共晶組織而顯著提高了涂層的耐磨性[65，66]。Ｓａｍａｒ等[35]選擇ＷＣ＋ＮｉＣｒＢＳｉ粉末制備的鎳基復(fù)合ＷＣ＋Ｗ2Ｃ涂層，平均顯微硬度達(dá)到了1384ＨＶ1Ｎ。但鎳基復(fù)合陶瓷涂層中同時(shí)存在少量的金屬間化合物相ＴｉＮｉ，添加適量稀土元素則能夠降低涂層中ＴｉＮｉ相的含量，提高α-Ｔｉ相的含量，降低涂層界面的開(kāi)裂傾向[61，62]。

鈷基復(fù)合陶瓷涂層的基體相由鈷基自熔性合金粉末形成。用于激光熔覆的鈷基自熔性合金粉末價(jià)格較高，主要有Ｃｏ42、Ｃｏ-01等合金粉末，其化學(xué)成分如表3所示[40，67]。鈷基復(fù)合陶瓷涂層的基體相主要為γ-Ｎｉ/Ｃｏ固溶體和少量的金屬間化合物ＣｏＴｉ、ＣｏＴｉ2和ＮｉＴｉ[68，69]。γ-Ｎｉ/Ｃｏ固溶體、ＣｏＴｉ、ＣｏＴｉ2和ＮｉＴｉ脆性高，容易導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋，同時(shí)提高了涂層在干摩擦過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂的概率，降低了涂層的耐磨性[70-74]。

Ｗｅｎｇ等[41，68，69]為解決鈷基體相的脆性問(wèn)題，采用了添加稀土元素的方法，分別選擇Ｃｏ42＋Ｂ4Ｃ＋ＳｉＣ＋Ｙ2Ｏ3粉末、Ｃｏ42＋Ｂ4Ｃ＋ＣｅＯ2粉末、Ｃｏ42＋ＴｉＮ粉末制備耐磨涂層，結(jié)果表明3種涂層都與基體為冶金結(jié)合方式，涂層中少量的金屬間化合物不會(huì)導(dǎo)致涂層與基材的界面出現(xiàn)裂紋，并且通過(guò)添加適量稀土元素Ｙ2Ｏ3和ＣｅＯ2而細(xì)化涂層晶粒、顯著減小涂層內(nèi)的微裂紋數(shù)量，因此含稀土元素的涂層耐磨性能提高。

3.2金屬間化合物基體相

金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層的基體相為金屬間化合物相，這些基體相主要包括Ｔｉ-Ａｌ基、Ｔｉ-Ｎｉ基、Ｃｏ-Ｎｉ基、Ｎｉ-Ａｌ基，因此把金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層分為Ｔｉ-Ａｌ基、Ｔｉ-Ｎｉ基、Ｃｏ-Ｎｉ基金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層。

Ｔｉ-Ａｌ金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層的基體相為Ｔｉ3Ａｌ金屬間化合物，Ｔｉ3Ａｌ金屬間化合物具有低密度、高彈性模量、高屈服強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和在高溫下形成致密氧化膜提高抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，但也存在韌性差、室溫延展性差、對(duì)微裂紋敏感的缺點(diǎn)[75-77]。Ｔｉ-Ａｌ金屬間化合物的優(yōu)點(diǎn)使得涂層具有較高的硬度與耐磨性，但韌性差的Ｔｉ-Ａｌ金屬間化合物使得涂層不可避免地存在裂紋，即使在熔覆粉末中添加適量稀土元素也難以完全消除，如Ｌｉ等[78]在熔覆粉末中添加Ｙ2Ｏ3，成功制備了Ｔｉ3Ａｌ金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層，顯微硬度在1250~1400ＨＶ2Ｎ之間，但涂層依然存在許多微觀裂紋。

Ｔｉ-Ｎｉ基金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層的基體相為ＴｉＮｉ、Ｔｉ2Ｎｉ相，ＴｉＮｉ、Ｔｉ2Ｎｉ金屬間化合物具有較好的硬度與耐磨性[79]。當(dāng)熔覆粉末中Ｔｉ含量較多時(shí)，涂層基體相為枝晶狀Ｔｉ2Ｎｉ，當(dāng)Ｎｉ含量較多時(shí)，涂層基體相為ＴｉＮｉ[80]。ＴｉＮｉ和Ｔｉ2Ｎｉ與其他金屬間化合物相比，并未表現(xiàn)出明顯的脆性，以ＴｉＮｉ和Ｔｉ2Ｎｉ物相為主的涂層無(wú)明顯裂紋存在，組織較為致密，涂層與基體結(jié)合良好，但與Ｔｉ-Ａｌ金屬間化合物復(fù)合陶瓷涂層相比，涂層硬度較低(580~900ＨＶ)[34，80]。

此外還有研究較少的Ｃｏ-Ｎｉ、Ｎｉ-Ａｌ金屬間化合物基體相。Ｃｏ-Ｎｉ金屬間化合物基體相在形成過(guò)程中會(huì)同時(shí)生成與基材物理物理性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)差異較大Ｃｏ-Ｔｉ相，導(dǎo)致涂層和基材的界面處產(chǎn)生裂紋[81]。Ｎｉ-Ａｌ基金屬間化合物基體相具有高溫抗氧化與耐磨的優(yōu)點(diǎn)，但存在溫室脆性大的缺點(diǎn)[82]。

3.3不同基體相形成的涂層耐磨性能對(duì)比

由于不同學(xué)者在測(cè)試涂層耐磨性能時(shí)采用了不同的摩擦試驗(yàn)條件(摩擦方式、摩擦副材質(zhì)、載荷、摩擦?xí)r間等)，因此他們制備的耐磨涂層無(wú)法直接利用磨損率、摩擦系數(shù)等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。而顯微硬度在一定程度上可反映涂層的耐磨性能，因此對(duì)不同種類耐磨涂層的顯微硬度進(jìn)行了整理總結(jié)，如表4所示。

4、自潤(rùn)滑相特征對(duì)涂層耐磨性的影響

采用激光熔覆技術(shù)制備的自潤(rùn)滑涂層以耐磨涂層的組分為基礎(chǔ)并增加了自潤(rùn)滑相，因此與耐磨涂層相比，自潤(rùn)滑涂層的摩擦系數(shù)更低。

4.1形成自潤(rùn)滑相的材料

采用激光熔覆技術(shù)制備的自潤(rùn)滑涂層中，一些常見(jiàn)的固體潤(rùn)滑材料用于在激光熔覆過(guò)程中形成自潤(rùn)滑相，主要包括石墨烯[84]、六方氮化硼(ｈ-ＢＮ)[66]和各種硫化物[85，86]。石墨烯作為新型二維材料具有強(qiáng)度高、韌性與自潤(rùn)滑性好的特點(diǎn)[87，88]。ｈ-ＢＮ是具有層狀結(jié)構(gòu)的六方晶系，層與層之間由范德華鍵相連，因此是良好的固體潤(rùn)滑材料[66，89]。各種硫化物如ＭｏＳ2、ＷＳ2、ＴｉＳ、Ｔｉ2ＳＣ屬于層狀結(jié)構(gòu)、層與層之間容易發(fā)生剪切滑移，在中低溫干摩擦條件下形成轉(zhuǎn)移膜而具有自潤(rùn)滑效果[85，86]。但上述固體潤(rùn)滑材料作為熔覆粉末都存在潤(rùn)濕性差和在激光的高溫作用下容易分解的問(wèn)題，因此自潤(rùn)滑相在涂層中的含量較低[85，87-89]。針對(duì)固體潤(rùn)滑材料潤(rùn)濕性差和易分解的問(wèn)題，主要有在熔覆粉末中直接添加固體潤(rùn)滑材料形成自潤(rùn)滑相和利用激光高溫原位生成自潤(rùn)滑相2種解決方法。

4.2直接添加自潤(rùn)滑相

在熔覆粉末中直接添加固體潤(rùn)滑材料需要采用低激光功率與高掃描速度的熔覆工藝參數(shù)，避免固體潤(rùn)滑材料在激光熔覆過(guò)程中完全分解。石皋蓮等[66]研究了Ｎｉ60＋ｈ-ＢＮ粉末激光熔覆形成的自潤(rùn)滑涂層，未分解的ｈ-ＢＮ作為自潤(rùn)滑相，在高溫干摩擦試驗(yàn)條件下，ｈ-ＢＮ顆粒軟化并鋪展形成潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，磨損量相比Ｎｉ60粉末形成的涂層有明顯減少。Ｚｈａｏ等[50]、Ｚｈａｎｇ等[84]選擇鈦＋石墨烯粉末在ＴＣ4合金表面制備自潤(rùn)滑涂層，在激光熔覆過(guò)程中，大部分石墨烯與鈦元素反應(yīng)生成了ＴｉＣ硬質(zhì)相，少量石墨烯在高溫下轉(zhuǎn)化為石墨，少量石墨與未分解的石墨烯組成了自潤(rùn)滑相。在干摩擦試驗(yàn)中，自潤(rùn)滑相與涂層表面硬質(zhì)相組成的機(jī)械混合層降低了摩擦副與涂層的接觸應(yīng)力，提高了涂層耐磨性[84]。

4.3原位生成自潤(rùn)滑相

利用激光高溫原位反應(yīng)的自潤(rùn)滑相含量更高，具有更好的減磨效果。劉秀波等[85]、Ｌｉｕ等[86]以ＮｉＣｒ＋Ｃｒ3Ｃ2＋ＷＳ2粉末制備的涂層原位生成了Ｔｉ2ＳＣ＋ＣｒＳ自潤(rùn)滑相，在室溫至600℃的摩擦條件下可以形成潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，降低摩擦系數(shù)、磨損率；而以Ｔｉ＋ＴｉＣ＋ＷＳ2粉末原位生成了Ｔｉ2ＳＣ＋ＴｉＳ自潤(rùn)滑相，涂層在中低溫度下具有不錯(cuò)的自潤(rùn)滑效果，但在500℃以上自潤(rùn)滑相會(huì)氧化失效形成氧化膜。

通常石墨烯在激光熔覆過(guò)程中會(huì)優(yōu)先與Ｔｉ元素反應(yīng)生成ＴｉＣｘ，因此石墨烯難以作為原位生成的自潤(rùn)滑相，Ｗｅｎｇ等[90]通過(guò)調(diào)整粉末比例、熔覆工藝參數(shù)，采用Ｎｉ60＋Ｂ4Ｃ粉末在ＴＣ4表面進(jìn)行激光熔覆，原位生成了與石墨烯結(jié)構(gòu)類似的球形石墨。在激光熔覆過(guò)程中原位生成球形石墨自潤(rùn)滑相的機(jī)理如圖7所示，鈦元素與碳元素生成ＴｉＣｘ后，多余碳原子沿著氣泡與熔體的界面快速非平衡凝固形成球形石墨，球形石墨使得涂層的摩擦系數(shù)降低、耐磨性顯著提高(涂層耐磨性是基體的43.67倍)[90]。

5、總結(jié)和展望

綜上，鈦合金表面激光熔覆制備耐磨和自潤(rùn)滑涂層能夠有效解決鈦合金耐磨性差的問(wèn)題，其中激光熔覆工藝與涂層組分(硬質(zhì)相、基體相、自潤(rùn)滑相)是決定涂層耐磨性的主要因素。激光熔覆工藝參數(shù)設(shè)定主要采用試錯(cuò)的方法進(jìn)行多次試驗(yàn)確定熔覆工藝參數(shù)；超聲振動(dòng)可顯著減小涂層晶粒尺寸，而對(duì)涂層進(jìn)行熱處理則可以有效提高涂層的斷裂韌性。硬質(zhì)相是提高涂層耐磨性的關(guān)鍵因素，采用原位生成法形成的硬質(zhì)相具有無(wú)裂紋、硬質(zhì)相邊緣無(wú)破碎的小顆粒的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛用于耐磨涂層中硬質(zhì)相的形成。鎳基體相和鈦基體相基具有良好的潤(rùn)濕性，可顯著減少涂層的裂紋、氣孔缺陷，提高涂層的綜合性能。自潤(rùn)滑相的形成需要在熔覆粉末中添加能夠原位生成自潤(rùn)滑相的材料，避免自潤(rùn)滑相在激光高溫作用下大量分解。為了進(jìn)一步提高激光熔覆技術(shù)制備的耐磨和自潤(rùn)滑涂層的耐磨性能，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面。首先，建立能夠綜合考慮各種因素(激光器類型、熔覆粉末類型和尺寸等因素)的數(shù)學(xué)模型用于設(shè)定熔覆工藝參數(shù)，使得涂層耐磨性能達(dá)到最佳。其次，開(kāi)發(fā)更多的熔覆粉末材料，以解決涂層中硬質(zhì)相和自潤(rùn)滑相含量占比偏低的問(wèn)題。最后，深入研究不同熔覆粉末在激光熔覆過(guò)程發(fā)生的各種復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步提高涂層耐磨性。

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