冷噴涂Ti/WC復合涂層的組織與耐磨性研究

前言

鈦及其合金作為一種重要的輕金屬材料，具有高比強度、良好的耐腐蝕性及綜合力學性能，廣泛應用于航空航天、海洋工程、油氣開采和醫(yī)療器械等領域。然而，其低應變硬化能力與低塑性剪切抗力導致較差的摩擦性能，限制了其應用。為了改善這一問題，研究者們提出了多種表面改性技術，包括離子注入、氣相沉積、微弧氧化、熱噴涂和激光加工等。其中，金屬基復合材料（MMC）由于其獨特的硬度與韌性組合，在侵蝕性磨損環(huán)境中表現(xiàn)出色，成為鈦材耐磨防護的研究熱點。

冷噴涂技術作為一種新興的表面處理技術，通過氣體膨脹加速顆粒，使其在完全固態(tài)下碰撞并沉積在基體上，避免了高溫過程帶來的不利相變與氧化問題。近年來，冷噴涂技術在高耐磨MMC材料制備上的研究與應用日益增加，尤其是在使用陶瓷顆粒（如WC）作為增強相方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。WC作為一種高硬度、高承載、高耐磨的陶瓷材料，通過冷噴涂技術可以充分發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。

本研究采用高壓冷噴涂技術在Ti6Al4V合金基體上沉積了兩種不同成分的Ti/WC復合涂層。通過室溫下的干滑動摩擦磨損試驗，評估了基體與復合涂層的摩擦性能，并使用掃描電鏡及拉曼光譜對磨損表面進行了詳細觀察與表征。

試驗材料和方法

本研究選用平均粒徑分別為33μm和40μm的多邊形純Ti和球形WC粉末為原料，按照WC陶瓷體積分數(shù)分別為50%和80%的配比進行機械混合。采用高壓冷噴涂系統(tǒng)，在Ti6Al4V合金基體上噴涂制備Ti/WC復合涂層。

磨損體積由光學顯微鏡測量，并根據(jù)公式計算磨損率。

Ti/WC復合涂層

顯微組織及顯微硬度

冷噴涂Ti/WC復合涂層的截面微觀組織如圖2所示，展示了涂層內的陶瓷含量與孔隙率的統(tǒng)計結果（表2）。在涂層和基體的界面上幾乎沒有觀察到明顯的大變形或裂紋，這主要得益于Ti顆粒在噴涂過程中吸收動能后產生的局部變形，與基體實現(xiàn)了良好的結合。

圖2中，白色區(qū)域代表WC陶瓷，灰色區(qū)域為金屬Ti，黑色區(qū)域為孔隙。在Ti-12.2%WC涂層中（圖2a和2c），大多數(shù)陶瓷顆粒保留了原始的球形形貌。而在Ti-24.5%WC涂層中（圖2b和2d），破碎的WC顆粒占大多數(shù)，這是由于高WC配比的粉末在噴涂沉積過程中，高速飛行的陶瓷顆粒碰撞破碎的概率與程度增加。此外，破碎陶瓷顆粒內部的孔隙明顯增多，導致Ti-24.5%WC涂層具有更高的孔隙率。

表2統(tǒng)計了涂層的陶瓷含量、孔隙率和顯微硬度。隨著陶瓷含量的增加，涂層的顯微硬度也顯著增加。一方面，WC顆粒的增多為Ti顆粒引入了更大的塑性變形，帶來更強的夯實與加工硬化作用；另一方面，WC陶瓷顆粒在涂層內的彌散分布產生了顯著的強化作用。

圖3為Ti/WC復合涂層的XRD圖譜，由于冷噴涂的加工溫度較低，圖譜中未觀察到明顯的氧化物峰。

滑動摩擦磨損性能

干滑動摩擦磨損試驗結果如圖4所示。圖4a的摩擦系數(shù)（COF）曲線顯示，在摩擦起始階段，基體與涂層的COF曲線均急劇上升，這是由于磨合初期接觸面積較小，材料發(fā)生劇烈變形所致。

圖4b展示了基體與涂層的磨損率及平均COF。Ti-12.2%WC涂層與Ti-24.5%WC涂層的磨損率比基體低了一個數(shù)量級，并呈現(xiàn)出隨著陶瓷含量增加而降低的趨勢。這表明陶瓷顆粒對磨損行為產生了顯著影響。同時，復合涂層的平均COF高于基體，表明在滑動摩擦過程中，涂層對接觸滑動表現(xiàn)出更高的阻力，具有更高的塑性變形抗力。

圖5展示了基體與涂層磨損軌跡上表面的宏觀形貌。Ti6Al4V基體磨損軌跡上觀察到大量溝槽及溝槽邊緣的擠壓凸起，表現(xiàn)為典型的磨粒磨損與粘著磨損。而冷噴涂復合涂層表面的磨損凹坑尺寸較小，且表現(xiàn)出更低的塑性形變，表明涂層具有更高的耐磨性。

圖6和圖7進一步展示了冷噴涂Ti/WC復合涂層磨損軌跡表面的微觀形貌、EDS面掃描圖譜及表面覆蓋摩擦膜的拉曼光譜。EDS圖譜和拉曼光譜分析表明，摩擦膜主要由TiO?和WO?組成，且隨著WC含量的增加，摩擦膜變得更加連續(xù)和穩(wěn)定。此外，拉曼光譜中還檢測到了碳的D峰和G峰，表明在滑動過程中，WC中的游離碳也發(fā)生了轉移并粘附到表面摩擦膜上。