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激光熔覆技术制备Ti-Al-(C,N) MAX相复合涂层在宽温域及海水环境中的磨损行为研究

摘  要：采用激光熔覆技术在TC4钛合金表面分别制备了Ti-Al-N、Ti-Al-(C、N)以及Ti-Al-C等MAX相复合涂层。不同于传统研究所使用的单元素粉末体系，本研究采用的二元粉末体系缓解了低熔点粉末的烧损现象，减少了熔覆过程中间产物的生成，亦可提供良好的后热处理组织基础。具体研究内容如下：（1）本研究系统的揭示了Ti-Al-N MAX相复合涂层在室温至800 ℃宽温域范围下的摩擦磨损行为，复合涂层表现出了优异的抗高温磨损性能。由于氧化膜增厚及涂层中分布的Ti₂AlN自润滑相的作用，800 ℃时涂层摩擦系数降至0.2091，磨损率降至0.025×10^-4 mm³×N^-1×m^-1是TC4钛合金基体的1.43 %，复合涂层在宽温域范围内磨损机制以磨粒磨损为主。（2）本研究系统的探讨了激光熔覆Ti-Al-(C、N) MAX相复合涂层在人工海水环境中的腐蚀及磨损交互行为。复合涂层在人工海水中的稳态摩擦系数可降至0.28，磨损体积为3.24×10^-2 mm³较TC4钛合金基体减少15.2%，复合涂层在人工海水中的磨损机制为磨粒磨损和腐蚀导致的黏着磨损。由于钝化膜去除-形成的动态变化，TC4与复合涂层在磨损时自腐蚀电位下降约0.3V，腐蚀电流增大约两个数量级，复合涂层的腐蚀电流仅为TC4钛合金基体的67.68%。（3）本研究通过激光熔覆技术在TC4钛合金表面制备了Ti-Al-C 复合涂层。不同于传统提升涂层中MAX含量的方法本研究提出了以激光作为热处理手段，并形成了基于激光技术制备MAX复合涂层的两步法技术。熔覆涂层在激光功率为1.2 kW，扫描速度为1 mm/s进行激光热处理后，所得涂层中Ti₂AlC MAX相含量达到82.93 wt%，相较于激光熔覆涂层中Ti₂AlC MAX的含量提高了9.03倍。涂层中由于Al原子的扩散导致形成以TiC为核、Ti₂AlC为壳的核壳结构，在激光热处理过程涂层中C和Al原子的扩散加剧，在扩散的影响下发生固溶反应，产生短杆状及块状两种MAX相结构。短杆状的MAX相由涂层基体直接析出，而块状的MAX相组织则是由于原子扩散以插层反应形成。激光热处理涂层在人工海水中具有最低的腐蚀倾向及腐蚀速度，其自腐蚀电位为-0.251V，腐蚀电流密度为6.808×10^-8 A/cm²低于TC4钛合金基体近一个数量级，复合涂层在大气、去离子水以及人工海水环境中的磨损率均低于TC4钛合金基体，在人工海水环境中，激光熔覆涂层具有最低的磨损率，仅为7.26×10^-5 mm³·N^-1·m^-1，占此时TC4钛合金基体的28.70 %。