当前，我国社会经济发展依然无法脱离煤炭支持，一旦煤炭不能稳定供应，将严重影响人们的生产生活，切实保证煤炭开采效率至关重要[1]。液压支架立柱作为煤矿开采的核心部件，其使用情况直接决定着煤炭开采效率，而其在井下工作时，长期遭受往复运动所带来的摩擦磨损[2-4],服役性能受到影响。为延长液压支架立柱的使用寿命，要尽可能降低其工作中由于摩擦所带来的损伤，目前采用的主要方法是对基体自身的材料、组织和结构进行改进或者对其表面进行强化、改性、涂覆及多种技术复合处理等[5]。

超高速激光熔覆是当前增材制造与绿色制造领域的先进技术，日益受到研究者的关注[6-7]。常规激光熔覆能量主要作用于基体表面，将粉末和基体同时加热，形成熔池，会产生很大的热影响区，造成稀释率过高；超高速激光熔覆则使用同步送粉方法，将粉末束流注入激光束中，汇聚位置提升至基体表面上方，90%的激光能量用于熔化粉末，其余激光能量作用于基体，粉末经激光辐照熔化后再进入基体微熔化的熔池中，经过快速加热和凝固形成稀释率极低的涂层。作为一项新兴表面处理技术，超高速激光熔覆具有熔覆效率高、粉末利用率高、涂层与基体间冶金结合强度大、涂层稀释率低、基体热影响区小、表面粗糙度小、易于制备薄涂层，且整个过程绿色无污染等优点[8]。将超高速激光熔覆技术用于制备液压支架立柱表面涂层，可望提高其表面性能，增强其耐磨、耐腐蚀和耐变形能力[9-11]。

Ni基Ti2AlC陶瓷涂层具有优异的机械性能、耐高温和耐腐蚀性能[12],能够有效延长液压支架立柱的使用寿命，提高其服役性能。超高速激光熔覆技术在制备Ni基Ti2AlC陶瓷涂层方面已经取得了一些进展，但进一步提高涂层的综合性能、降低制备成本等仍是需要解决的问题[13-14]。

本文以液压支架立柱常用材料27SiMn钢为基体，采用超高速激光熔覆技术在其表面制备Ni基Ti2AlC陶瓷涂层。通过X射线衍射仪、扫描电镜/能谱仪、硬度仪等对涂层进行表征，测试其摩擦学性能，探究其磨损机理。

1、实验部分

1.1 实验材料

喷涂基体材料选用27SiMn钢，其主要成分如表1所示。熔覆材料选用Ni基Ti2AlC陶瓷粉末，为提高熔覆粉末的流动性，将其进行机械球磨、雾化干燥，烧结成团聚球化的类球形Ni-Ti2AlC粉末。

表1 27SiMn钢化学成分

1.2 复合涂层的制备

采用同步送粉法进行超高速激光熔覆Ni-Ti2AlC复合涂层的制备。熔覆前用丙酮对基体进行超声波清洗，将基体表面的油脂、铁锈除去，再将粉末放在烘箱中120 ℃干燥处理2 h。实验采用天津辉锐激光科技有限公司自主研发的MobiMRO-2型超高速激光熔覆设备，送粉器为东莞市华威激光设备有限公司生产的TD-3型双筒载气送粉器，利用工件的高速旋转获得超高激光熔覆线速度。超高速激光熔覆的效果和激光功率、熔覆速度、送粉速率、搭接率、光斑直径等因素有关，本研究通过前期正交实验筛选出实验范围内的最优工艺参数，即激光功率2 700 W、熔覆速度220 mm/s、送粉速率2 r/min、搭接率80%、光斑直径2.3 mm、工作距离21 mm、保护气流量12 L/min、送粉气流量10 L/min, 送粉气体与保护气体均采用氩气(纯度大于99.9%)。

1.3 试样性能测试

激光熔覆后，将样品切割成100 mm×25 mm×5 mm的长方体。利用Hitachi Regulus SU8230型和Tescan Mira4型场发射扫描电镜(SEM)对粉末和涂层的显微形貌进行观察；利用迈格IMM5000型倒置金相显微镜对涂层的截面形貌进行观察；采用德国布鲁克公司BrukerD8X型X射线衍射仪(XRD)对涂层和粉末进行物相组成测试；采用IXRF Model550型和牛津仪器Xplore30型能谱仪(EDS)对涂层进行元素成分分析；采用DigiVicke 1000A型单点全自动维氏硬度仪对涂层的微观硬度进行测定。

摩擦实验设备采用天津职业技术师范大学的UMT-5型摩擦磨损试验机，在室温(23 ℃±2 ℃)下，摩擦方式为往复干滑动摩擦，载荷为10 N,摩擦时间为30 min, 滑动频率为4 Hz, 摩擦实验样品规格为20 mm×10 mm×5 mm, 对磨副选用直径为6 mm的Si3N4陶瓷球，其密度为3.1 g/cm3、弹性模量为 46.6 GPa、泊松比为0.3。

2、结果与讨论

2.1 物相分析

Ni-Ti2AlC粉末和复合涂层的XRD衍射图谱如图1所示。

图1 Ni-Ti2AlC粉末和复合涂层的XRD图谱

由图1可见：粉末中的主要物相有金属相Ni、陶瓷相Ti2AlC和少量的TiC、Al2O3,其中TiC、Al2O3是由于Ti2AlC粉末在团聚烧结以及包覆过程中受高温作用分解出的少量硬质相；复合涂层所含物相以硬质相TiC、Al2O3,润滑相Ti2AlC、微量Ti3AlC2, 金属间化合物Ni3Ti、Ni3Al以及γ-Ni固溶体为主，Ti2AlC受热分解的主要产物为硬质相TiC、Al2O3,但在分解过程中会与Ti3AlC2相互转化，因而产生少量的Ti3AlC2[15-17]。

2.2 复合涂层微观结构

图2为超高速激光熔覆Ni-Ti2AlC复合涂层纵截面及不同位置横截面的SEM图。由图2(a)可以看出，涂层与基体结合效果较好，结合处没有出现裂痕，涂层面平滑，没有出现明显的洞隙、缺陷，这与超高速激光熔覆的能量密度较高及其快速冷却和凝固的特点有关。也因上述特点，涂层中晶粒的生长方向垂直向上，与熔池凝固的方向保持一致。图2(b)中晶粒形态为晶胞组织，图2(c)中晶粒形态则为柱状晶组织，图2(d)中晶粒形态为细小的胞状晶体，从涂层顶部到底部晶粒的形态不断发生转变。涂层中不同位置的组织形貌变化主要受温度梯度(G)和凝固速率(R)影响，温度梯度和凝固速率的比值(G/R)决定了涂层组织。由图2(f)可以看出，区域中有黑色细胞枝晶、灰白色细胞晶体和浅灰色连续基质，其中柱状晶和枝状晶主要由于G/R逐渐减小而产生。此外，涂层顶部聚集的TiC、Al2O3和少量Ti2AlC可提高表面的硬度和耐磨性能[18]。复合涂层的显微形貌和涂层的组织结构特点表明，超高速激光熔覆不仅可以实现基体材料与金属涂层之间良好的冶金结合，还可使复合涂层硬度得到提高，获得优异的耐磨性能。

图2 Ni-Ti2AlC复合涂层纵截面及不同位置横截面的SEM图

图3为复合涂层中部位置的EDS面扫图。通过扫描所选区域，发现暗黑色组织主要由Ti、Al、O和C元素组成，其中Ti与C的比例约为1∶1,Al与O的比例约为2∶3,结合XRD衍射图谱分析，该物质为Ti2AlC分解生成的TiC、Al2O3,以及未分解的少量Ti2AlC。连续基质中含有大量Ni元素，可以推测连续基质是由TixNiy金属间化合物以及多种合金元素溶于Ni基涂层中形成的γ-Ni固溶体。

图3 复合涂层中部位置EDS面扫图

对涂层中部位置的典型组织进行EDS点扫分析，结果如图4所示。根据图中元素分布情况和XRD物相分析结果可知，涂层中A区域黑色晶胞组织为Al2O3,B区域浅色枝晶组织为TiC,C区域连续基质为TixNiy金属间化合物、γ-Ni固溶体。

2.3 复合涂层显微硬度

图5为Ni-Ti2AlC复合涂层到基体的纵截面显微硬度分布曲线图。图中NiCrTi涂层为过渡层，可增强涂层与基体的结合强度，抑制裂纹的产生，减少缺陷形成，本文重点研究Ni-Ti2AlC复合涂层。由图5可知，Ni-Ti2AlC复合涂层的平均显微硬度约为549.5HV0.2,而基体的硬度约为182.3HV0.2,与基体相比，复合涂层的硬度显著增加。在超高速激光熔覆过程中，复合涂层中产生的硬质相均匀分布在其中，为提高其硬度提供了有利条件；超高速激光熔覆具有快速熔化和凝固的特点，抑制了涂层晶粒的生长；快速冷却使大量的Ni、Fe、Cr原子不能完全析出，最终溶解形成固溶强化。因此，复合涂层的硬度得到了明显提升。

图4 复合涂层典型组织EDS点扫图

图5 复合涂层到基体的纵截面显微硬度分布

2.4 复合涂层摩擦磨损分析

2.4.1 摩擦学性能分析

图6为10 N载荷下Ni-Ti2AlC复合涂层和基体的摩擦系数随时间变化的曲线图。由图6可知，在10 N载荷下复合涂层的摩擦系数为0.82,基体的摩擦系数比涂层略高，为0.91。在摩擦实验的整个过程中，复合涂层和基体的摩擦系数均经历了一定的波动，最终趋于一个稳定的数值。在100～200 s时间段内Ni-Ti2AlC复合涂层的摩擦系数高于基体摩擦系数。这是由于：在摩擦初期，涂层表面可能存在一些微观不平整，使摩擦力增大，摩擦系数升高；涂层与基体界面处可能存在一些残余应力或微观缺陷，导致涂层与基体之间的结合强度下降，在摩擦初期缺陷处有涂层脱落，增加了摩擦阻力；摩擦初期涂层表面迅速氧化，形成一层氧化膜，这层氧化膜与对磨材料的摩擦系数可能高于涂层本身的摩擦系数。摩擦时间超过200 s后，凸起或微观缺陷部分被磨去，摩擦趋于平稳，由于涂层的硬质相含量较高，在摩擦过程中对样品表面起到了支撑作用，从而使复合涂层的摩擦系数降低，低于基体的摩擦系数。

图6 10 N载荷下的摩擦系数

2.4.2 磨损形貌

复合涂层和基体在10 N载荷下的磨损形貌如图7所示，EDS分析结果如图8所示。从磨损形貌来看，随着载荷升高，涂层表面受到的法向力和剪切应力增大，在磨损过程中对磨球的微凸体会对涂层表面产生更大的应力碰撞，加深磨痕，形成更严重的犁削和沟槽。

由图7(a)和图7(b)可以看出，复合涂层磨痕出现大量的剥落坑和断裂分层。这是由于：涂层表面的Ni基部分在摩擦过程中逐渐被剪切，剩余硬质相与涂层结合强度降低，进一步磨损会造成断裂和剥落；磨粒、对磨球和涂层表面形成磨粒磨损，加重涂层表面的磨损和疲劳。由图8(a)中EDS分析结果可知，涂层的Ni、Ti、Al、C元素分布仍相对均匀，O元素则分散在磨痕区域内。这是由于涂层的硬质相和对磨副之间摩擦会产生摩擦热，使涂层表面发生氧化反应，进而发生氧化磨损。

由图7(c)和图7(d)中基体磨痕形貌可以看出，其磨损机理主要为粘着磨损和氧化磨损。在摩擦过程中基体表面会受到很大的法向力和剪切应力，由于基体表面硬度较低，会发生粘着现象，导致基体剥落，产生大量的碎屑；在摩擦过程中碎屑被反复挤压，又重新回到基体表面，形成了图7(d)所示的形貌。由图8(b)中EDS分析结果可知，基体磨损表面存在O元素，说明在摩擦过程中表面发生了氧化反应，形成氧化膜，此氧化膜可保护基体，避免其进一步被氧化。随着摩擦继续进行，旧的氧化膜会被破坏，生成新的氧化膜，如此周而复始。

综上所述，复合涂层的磨损机理主要有磨粒磨损、疲劳磨损和氧化磨损三种类型。基体的磨损机理主要以粘着磨损和氧化磨损为主。

图7 10 N载荷下复合涂层和基体的磨痕形貌

图8 10 N载荷下复合涂层和基体EDS分析

3、结论

1)采用超高速激光熔覆技术在27SiMn钢表面制备了Ni基Ti2AlC陶瓷复合涂层。超高速激光熔覆涂层与基体结合效果较好，复合涂层的结构致密，且没有出现裂纹、孔隙等缺陷。

2)Ni-Ti2AlC复合粉末及涂层的XRD衍射图谱表明，涂层中所含物相主要为硬质相TiC、Al2O3,润滑相Ti2AlC,金属间化合物TixNiy(如Ni3Ti、Ni3Al)以及γ-Ni固溶体。

3)超高速激光熔覆技术可实现高温快速熔化，使复合涂层的硬度显著提高。基体27SiMn钢的平均硬度为182.3HV0.2,复合涂层的平均硬度为549.5HV0.2,较基体提高了约3倍。

4)10 N载荷下，基体27SiMn钢的摩擦系数为0.91,复合涂层Ni-Ti2AlC的摩擦系数为0.82,相比基体明显降低，同时复合涂层的磨损形貌也有明显改善，说明复合涂层的耐磨性能得到提高，能够对基体起到保护作用。

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基金资助:国家自然科学基金项目(52375456); 辽宁省教育厅高等学校基本科研项目(面上项目)(JYTMS20231519);

文章来源:韩珩,郭炜娇,于兴福.超高速激光熔覆Ni基Ti2AlC陶瓷涂层性能[J].沈阳理工大学学报,2024,43(06):41-47+54.