鈦合金基體激光熔覆WC/TC18復(fù)合涂層滾動(dòng)接觸疲勞性能研究

劉育斌 馮成慧 朱小軍 王志剛 馮軍

摘要：為了提高鈦合金的滾動(dòng)接觸疲勞性能，以碳化鎢（WC）/鈦合金（TC18）混合粉末為原料，利用激光熔覆技術(shù)在TC18基材表面制備了耐磨涂層，分析了涂層的顯微組織和顯微硬度，在室溫條件下測試了涂層的接觸疲勞性能。結(jié)果表明，涂層與基體冶金結(jié)合良好，WC顆粒呈不規(guī)則塊狀均勻分布于β-Ti基體中，WC顯微硬度在2122～2271HV之間。與傳統(tǒng)鈦合金表面超聲速火焰噴涂WC-Co涂層相比，激光熔覆復(fù)合涂層的滾動(dòng)接觸疲勞性能改善，但耐磨性能降低。

關(guān)鍵詞：鈦合金；激光熔覆；復(fù)合涂層；滾動(dòng)接觸疲勞；耐磨性

中圖分類號(hào)：TG156.99文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.03.011

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)襟翼滑軌等航空、航天、國防等高端領(lǐng)域，然而鈦合金表面硬度較低、耐磨性較差[1]，工程上常采用超聲速火焰噴涂碳化鎢涂層[2]，但是涂層與基體之間是機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度不高[3]，涂層的滾動(dòng)接觸疲勞性能改善有限。理論上，在涂層硬度相當(dāng)?shù)那闆r下，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度越高，涂層的滾動(dòng)接觸疲勞性能越好[4]。激光熔覆是一種新的表面改性技術(shù)，利用高能激光束使涂層材料與基體表層一起熔凝，形成冶金結(jié)合的添料熔覆層[5]。利用激光熔覆技術(shù)將硬質(zhì)增強(qiáng)相復(fù)合材料制備耐磨涂層，可以極大地?cái)U(kuò)展鈦合金在惡劣磨損環(huán)境的應(yīng)用[6]。Farayibi等[7-18]研究了鈦合金表面激光熔覆復(fù)合涂層的微觀組織演變特性、耐磨性、抗沖蝕性能等。但尚未對(duì)激光熔覆的WC（碳化鎢）/ TC18（鈦合金）復(fù)合涂層的滾動(dòng)接觸疲勞性能開展研究。

本文利用激光熔覆技術(shù)，在TC18鈦合金零件表面制備了WC/TC18復(fù)合涂層，分析了涂層的顯微組織及WC顆粒分布，測試了涂層內(nèi)部增強(qiáng)相和基體的顯微硬度，并在室溫條件下測試了該復(fù)合涂層與超聲速火焰噴涂碳化鎢（WC-17%Co）涂層的滾動(dòng)接觸疲勞性能和磨損速率，根據(jù)磨損形貌及損傷演變分析了涂層的滾動(dòng)接觸疲勞機(jī)理。

1材料與試驗(yàn)件

利用激光熔覆成形技術(shù)，在鈦合金基體表面堆積形成新型的復(fù)合涂層，試驗(yàn)件基材為TC18近β鈦合金（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe），激光熔覆涂層材料選用WC/TC18混合粉末，TC18粉末粒度為80～200目。

采用連續(xù)波固體激光器進(jìn)行同軸送粉式表面熔覆，激光功率為1.0～1.5kW，光斑直徑為5～7mm，掃描速度為800～1000mm/min，送粉率為14～16g/min，涂層厚度為250～350μm。接觸疲勞試驗(yàn)件設(shè)計(jì)參考了YB/T 5345—2006《金屬材料滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)件尺寸為70mm×28mm，如圖1所示。

2復(fù)合涂層組織分析

2.1激光熔覆涂層顯微組織

觀察激光熔覆WC/TC18涂層縱截面（垂直于結(jié)合面）組織形貌發(fā)現(xiàn)，涂層與基體呈致密冶金結(jié)合，無氣孔、裂紋等缺陷。WC/TC18涂層厚度為250～350μm，涂層內(nèi)部WC顆粒呈不規(guī)則塊狀，分布均勻，如圖2和圖3所示。

由WC/TC18涂層XRD圖譜，結(jié)合背散射電子像分析可知，激光熔覆WC/TC18涂層的相組成為WC、α相和β相，如圖4所示。

2.2激光熔覆涂層表面硬度

激光熔覆WC/TC18涂層縱截面的顯微硬度測試結(jié)果見表1，其中WC粒子顯微硬度均值為2185.74HV，TC18（涂層）顯微硬度均值為460.59HV，TC18（基體）顯微硬度均值為403.27HV。

3試驗(yàn)與分析

3.1接觸疲勞性能測試與分析

將試驗(yàn)樣品在25℃±5℃的環(huán)境下等溫放置4h以上，檢測試驗(yàn)件的圓柱度、表面粗糙度和外徑（精確到0.001mm），測量試驗(yàn)件的質(zhì)量，并做記錄。

將試驗(yàn)件（4號(hào)）裝入對(duì)滾試驗(yàn)機(jī)，如圖5所示，在試驗(yàn)件外圓表面均勻涂抹MP_DX NO.2潤滑脂。首次加載時(shí)，在靜止?fàn)顟B(tài)下，先加至試驗(yàn)載荷的10%；檢查滾輪接觸情況，如果滾輪接觸良好，開機(jī)運(yùn)行，檢查加載情況和滾輪接觸情況，然后在3h運(yùn)轉(zhuǎn)過程中逐步加載到100%。以后每套試驗(yàn)件因停機(jī)檢查等情況再次啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)時(shí)，在試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)0.5h過程中逐步加載到試驗(yàn)載荷的100%。

對(duì)滾試驗(yàn)機(jī)為ABLT-6A型軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)機(jī)，每次裝夾兩個(gè)陪試圓盤，裝夾4個(gè)試驗(yàn)件，試驗(yàn)載荷通過試驗(yàn)件施加在導(dǎo)輪上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過鏈輪驅(qū)動(dòng)陪試圓盤勻速旋轉(zhuǎn)，通過摩擦驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)件以（90±2）r/min的轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)件通過支承軸承被裝夾在試驗(yàn)機(jī)滑動(dòng)導(dǎo)軌上，加載油缸通過滑動(dòng)導(dǎo)軌將不同應(yīng)力級(jí)的試驗(yàn)載荷施加在試驗(yàn)件上，使試驗(yàn)件與陪試圓盤表面的接觸應(yīng)力為規(guī)定的接觸應(yīng)力，并保持恒定。

每隔0.5h對(duì)試驗(yàn)件表面進(jìn)行目視檢查一次，檢查試件表面涂層是否有起泡、剝落等現(xiàn)象。如有起泡、剝落等現(xiàn)象，則停止試驗(yàn)并做記錄和拍照，然后用毛刷清洗表面油脂并做進(jìn)一步檢查和記錄。每隔0.5h對(duì)載荷測量一次，保證載荷的正確性。試驗(yàn)過程中每運(yùn)轉(zhuǎn)2h（10800r）對(duì)試驗(yàn)件外徑表面和導(dǎo)輪（陪試件）表面涂抹一次潤滑脂。

加載到接觸載荷時(shí)，試驗(yàn)件在試驗(yàn)載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)10萬轉(zhuǎn)停機(jī)，卸下試驗(yàn)和導(dǎo)輪放在25℃±5℃的環(huán)境中4h以上，測量外徑尺寸，并做記錄，完成后再行上機(jī)試驗(yàn)。以后每隔10萬轉(zhuǎn)停機(jī)，重復(fù)以上測量。試驗(yàn)截止到100萬轉(zhuǎn)。

試驗(yàn)終止條件：（1）試驗(yàn)件單塊涂層剝落面積≥3mm2；（2）對(duì)于麻點(diǎn)剝落，在剝落集中區(qū)域處，10mm2面積內(nèi)出現(xiàn)麻點(diǎn)率達(dá)到15%或以上；（3）試驗(yàn)件涂層表面出現(xiàn)起泡、分層、涂層被完全磨去等其他失效；（4）試驗(yàn)件運(yùn)轉(zhuǎn)了100.17萬轉(zhuǎn)。

對(duì)比試驗(yàn)的試驗(yàn)件基體材料、試驗(yàn)件尺寸與圖1完全相同，表面是超聲速火焰噴涂碳化鎢（WC-17%Co）涂層，涂層厚度100～150μm。

試驗(yàn)結(jié)果見表2，可以看出，在接觸應(yīng)力為450MPa時(shí)，激光熔覆涂層與超聲速火焰噴涂碳化鎢（WC-17%Co）涂層在達(dá)到100.17萬轉(zhuǎn)的試驗(yàn)截止值時(shí)，都沒有發(fā)生失效。在接觸應(yīng)力為630MPa時(shí)，超聲速火焰噴涂碳化鎢（WC-17%Co）涂層有兩個(gè)試驗(yàn)件未失效，其余4件都失效，失效平均壽命是51.84萬轉(zhuǎn)。激光熔覆涂層試驗(yàn)件有兩個(gè)未失效，4件失效，失效平均壽命為100.17萬轉(zhuǎn)。

3.2耐磨性能測試與分析

另外，對(duì)兩種涂層的磨損速率進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)詳見表3?？梢钥闯?，在450MPa和630MPa接觸應(yīng)力下，激光熔覆涂層的磨損速率分別為超聲速火焰噴涂WC-17%Co涂層的2.13倍和8.79倍。同種涂層隨著接觸應(yīng)力的增加，磨損速率也在增加。在相同接觸應(yīng)力的前提下，激光熔覆涂層的磨損速率大于超聲速火焰噴涂WC-17%Co涂層，故在僅考慮磨損失效時(shí)，激光熔覆涂層的厚度應(yīng)略大于WC涂層。

3.3失效機(jī)理分析

超聲速火焰噴涂碳化鎢涂層形貌圖如圖6所示。可以看出，超聲速火焰噴涂碳化鎢涂層以涂層和基體分層剝落破壞為主。隨著循環(huán)進(jìn)行，累積損傷逐漸增加，在涂層與基體之間形成裂紋。在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，裂紋尺寸逐漸增大。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到足夠長度時(shí)，潤滑油可以進(jìn)入，在滾動(dòng)載荷的作用下涂層脫落。

激光熔覆涂層表面形貌圖如圖7所示。從圖7中可以看出，涂層表面發(fā)生輕微剝落和涂層被磨損，激光熔覆復(fù)合涂層滾動(dòng)接觸疲勞失效機(jī)理為循環(huán)應(yīng)力超過材料的疲勞強(qiáng)度，引發(fā)裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展，涂層發(fā)生表面點(diǎn)狀剝落失效。

激光熔覆接觸疲勞壽命提高的主要原因可能是涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度得到了提高。這是因?yàn)槌曀倩鹧鎳娡刻蓟u涂層與鈦合金基體之間屬于“機(jī)械結(jié)合”，而激光熔覆涂層與鈦合金基體屬于“冶金級(jí)結(jié)合”，結(jié)合強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。

4結(jié)論

通過研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）激光熔覆制備的碳化鎢（WC）/鈦合金（TC18）復(fù)合涂層與鈦合金基體為冶金結(jié)合，WC增強(qiáng)顆粒在涂層中分布均勻。

（2）同等在滾動(dòng)接觸應(yīng)力水平下，以鈦合金基體的激光熔覆復(fù)合涂層比超聲速火焰噴涂碳化鎢涂層具有更高的抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能，但激光熔覆復(fù)合涂層耐磨性較差。

（3）激光熔覆復(fù)合涂層滾動(dòng)接觸疲勞失效機(jī)理為循環(huán)應(yīng)力超過材料的疲勞強(qiáng)度，引發(fā)裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展，涂層發(fā)生表面點(diǎn)狀剝落失效。

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Rolling Contact Fatigue Property of WC/ TC18 Composite Coating Prepared by Laser Cladding on Titanium Alloy

Liu Yubin，F(xiàn)eng Chenghui，Zhu Xiaojun，Wang Zhigang，F(xiàn)eng Jun AVIC The First Aircraft Institute，Xi’an 710089，China

Abstract： In order to improve the rolling contact fatigue property of titanium alloy， tungsten carbide （WC）/ titanium alloy （TC18） mixed powder was used as raw material to prepare wear-resistant coating on TC18 substrate surface by laser cladding technology. The microstructure and microhardness of the coating were analyzed. The contact fatigue property of the coating was tested at room temperature. The results showed that the laser cladding coating is metallurgically bonded to the substrate. The WC phase uniform distributes over theβ-Ti matrix as irregular block structure， and the microhardness of which is in the range of 2122～2271HV. Compared with WC-Co coating sprayed by supersonic flame on the surface of traditional titanium alloy， the rolling contact fatigue property of composite coating strengthened by laser cladding was improved， but the wear resistance was decreased.

Key Words： titanium alloy； laser cladding； composite coating； rolling contact fatigue； wear resistance