鈦合金表面耐磨性能增強技術研究進展＊

王冬玲，安江潮，劉思宇，王策，金超，馮明佳

（吉林農業科技學院機械與土木工程學院，吉林 吉林 132101）

1 研究背景

在科學技術快速發展時代的前提下，全球都面臨新的科技革命。為此，中國提出《中國制造2025》，航空航天業是其重要發展領域，航空材料加工是實現航空航天裝備智能制造的基礎[1]。

鈦合金是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬，具有強度高、耐蝕性好、密度低、低溫性能好，在低溫和超低溫下仍能保持其力學性能、生物相容性好等多種良好特殊性能，其在航空航天、海洋、汽車、裝甲和生物醫學設備中得到越來越多的應用[2-8]。在海洋中鈦合金已經被廣泛應用在魚雷、艦艇、艦船等制造中。主要用在魚雷的彈體，潛艇的耐壓殼體、推進器、管系、閥門以及聲學裝置等，艦船的泵、過濾器、管路、電器元件、緊固件等[9-12]。鈦合金在航空航天領域被廣泛用于軍機機身、航空發動機、飛機起落架等零部件且使用比例逐年增長，航空航天業發展重要指標之一就是鈦合金的用量。鈦合金在汽車工業、醫療器械等領域也都有大量應用，如汽車的發動機氣門、曲柄、連桿等，醫療器械中的人體關節替代以及手術器械。

盡管鈦合金有很多特殊性能，但也存在一定的缺點，如其較差的摩擦學性能，不能滿足強負荷下耐磨性，因而使其應用受到一定限制。關于怎樣提高鈦合金表面耐磨性能，國內外學者做了大量研究，本文主要綜述現階段表面耐磨技術研究現狀以及對相關技術進行展望。

2 鈦合金表面耐磨性增強技術研究

2.1 表面改性技術

2.1.1 離子注入

離子注入技術是近年來發展和廣泛應用的一種材料表面改性技術。離子注入是在真空中將高能帶電離子束射向金屬近表層，使其形成新的表面改性層[13]。其具有一定的優點，無涂層膜基結合問題，工件不變形[14]，提高工件表面性能，涂層較薄是其主要缺陷。離子注入技術與噴漆等傳統工藝相比具有一定的優點，其穩定性好，能提高材料基體的使用壽命；其跟物理和化學氣相沉積比，膜層抗剝落能力強，與基體結合好。離子注入種類主要有非金屬元素和金屬元素，近年來離子注入技術有向多元注入和離子注入復合工藝發展趨勢，可以更加顯著增強材料性能。有研究表明，將N3-注入Ti6Al4V 基體表面，新生成的薄膜可以使鈦合金耐磨性提高2.5 倍[15]。

2.1.2 熱噴涂

熱噴涂是將噴料用熱源加熱熔化，并用高速氣流將融化后的噴料霧化成顆粒，并以很高的速度噴射到經過處理的基體表面形成涂層。根據不同需要選擇不同涂層材料，可以獲得不同性能基體表面，常見的有耐磨、耐腐蝕、抗氧化等。對于提高鈦合金表面耐磨性常用的噴料一般為單質金屬材料，如Al、Ni 及合金材料TiN、NiCrAl、MCrAlY 等[16]。常用耐磨涂層如表1 所示。有研究表明[17]，用噴料鋁在鈦合金表面進行噴涂，該涂層在低溫下堅硬，但容易發生脫落。

2.1.3 激光熔覆

激光熔覆也被稱為激光包覆，它通過在基材表面預先添加熔覆材料，或是將粉末與激光束同步輸送，利用高能密度的激光束使熔覆材料與基材表面薄層一起熔凝，從而與基體形成冶金結合。激光熔覆工藝示意圖如圖1 所示。

圖1 激光熔覆工藝示意圖[19]

有諸多因素影響激光熔覆層的質量，如激光功率大小、激光束尺寸直徑、激光掃描速度或者工件運動速度[19]。MAHAMOOD 等[20]研究了激光掃描速度對Ti6Al4V/TiC 復合材料性能的影響，結果表明隨著掃描速度增加，其耐磨性能也隨之提高，但是掃描速度有一定的界限值。只有在合適的工藝參數下，鈦合金通過激光熔覆才能獲得性能優異的涂層。激光熔覆的添料方式有2 種，即預置式和同步式，如圖2 所示。

圖2 激光熔覆添料方式[21]

預置式即需將熔覆的材料提前放置在基體材料表面，然后使用激光束對熔覆材料進行熔化。同步式即是在激光熔覆采用激光束掃描的過程中，同時把熔覆材料用噴嘴直接送入激光束里，送料和熔覆工作是同時進行的，最終可以在基體表面形成熔覆膜層。2 種添料方式相比，同步式成型好，熔覆層質量和性能高，易于實現自動控制優點。

2.2 微弧氧化復合處理技術

目前在工業產業對鈦合金使用需求的驅使下，復合涂層技術也日漸興起。其中微弧氧化技術擁有環保、自動化程度高等優點，在外電源作用下，短時間即可形成較高硬度、附著力高的氧化膜[22]。此膜層既可以單獨使用，也可以進行各種后處理，提高工件承載能力。因此，它也是近年來國內外學者研究的熱點。

提高材料摩擦學性能的有效方法之一，是在微弧氧化膜基礎上，采用適宜的后處理工藝。其中，最簡單實用的一種方式是機械拋光。微弧氧化膜的多孔結構影響其硬度和表面質量，機械拋光去除一定厚度的外表層，可使其露出致密層結構且使表面硬度提高，繼而提高材料的耐磨性[23]。另外還有在微弧氧化膜基礎上進行水熱法加工，該方法是將反應介質裝在密封的壓力容器中，并將容器進行加熱處理，使容器內部達到高溫高壓的狀態，此時，難溶物質會溶解和重結晶[24]。VANGOLU 等[25]研究了鈦合金在微弧氧化后與水熱法復合處理技術下表面膜的耐磨性能；實驗對比發現，與僅進行微弧氧化處理的鈦合金相比，復合改性膜在一定條件下摩擦系數降低，磨損率也降低，提高了膜層的耐磨性；但在高載荷作用下該復合改性膜層耐磨性能減弱，因此應用有一定載荷限制。

3 結論與展望

鈦合金表面耐磨增強技術在不斷更新，除了像離子注入、熱噴涂、激光熔覆等單一表面耐磨改性技術外，還有微弧氧化復合處理技術，文中提到了該技術的2 種處理方法。解決熱噴涂技術問題的方法和發展趨勢尚待研究，未來在噴涂材料和涂層設計以及工藝方法仍需加強理論基礎研究。激光表面改性可以提高鈦合金表面耐磨性，但其還有很多需要改善的方面，如加工成本降低、環保性提升以及激光加工參數優化，應加強數值模擬分析和梯度功能涂層的研究。離子注入復合對改善材料表面性能有一定的提高，但其工藝的組合及理論還需要進一步研究和完善。微弧氧化技術的環保性高、設備簡單、成本低，其表面處理技術有一定的優勢，但其相關理論基礎還需要進一步完善。隨著科技發展，學者們對鈦合金表面耐磨性能增強技術的研究會有進一步的突破，會改進目前處理技術的缺點和完善相關理論知識，從而拓寬鈦合金的應用范圍。