钛合金基体激光熔覆WC/TC18复合涂层滚动接触疲劳性能研究

刘育斌 冯成慧 朱小军 王志刚 冯军

摘要：为了提高钛合金的滚动接触疲劳性能，以碳化钨（WC）/钛合金（TC18）混合粉末为原料，利用激光熔覆技术在TC18基材表面制备了耐磨涂层，分析了涂层的显微组织和显微硬度，在室温条件下测试了涂层的接触疲劳性能。结果表明，涂层与基体冶金结合良好，WC颗粒呈不规则块状均匀分布于β-Ti基体中，WC显微硬度在2122～2271HV之间。与传统钛合金表面超声速火焰喷涂WC-Co涂层相比，激光熔覆复合涂层的滚动接触疲劳性能改善，但耐磨性能降低。

关键词：钛合金；激光熔覆；复合涂层；滚动接触疲劳；耐磨性

中图分类号：TG156.99文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.03.011

钛合金具有比强度高、耐腐蚀和耐高温等优异性能，被广泛应用于飞机襟翼滑轨等航空、航天、国防等高端领域，然而钛合金表面硬度较低、耐磨性较差[1]，工程上常采用超声速火焰喷涂碳化钨涂层[2]，但是涂层与基体之间是机械结合，结合强度不高[3]，涂层的滚动接触疲劳性能改善有限。理论上，在涂层硬度相当的情况下，涂层与基体的结合强度越高，涂层的滚动接触疲劳性能越好[4]。激光熔覆是一种新的表面改性技术，利用高能激光束使涂层材料与基体表层一起熔凝，形成冶金结合的添料熔覆层[5]。利用激光熔覆技术将硬质增强相复合材料制备耐磨涂层，可以极大地扩展钛合金在恶劣磨损环境的应用[6]。Farayibi等[7-18]研究了钛合金表面激光熔覆复合涂层的微观组织演变特性、耐磨性、抗冲蚀性能等。但尚未对激光熔覆的WC（碳化钨）/ TC18（钛合金）复合涂层的滚动接触疲劳性能开展研究。

本文利用激光熔覆技术，在TC18钛合金零件表面制备了WC/TC18复合涂层，分析了涂层的显微组织及WC颗粒分布，测试了涂层内部增强相和基体的显微硬度，并在室温条件下测试了该复合涂层与超声速火焰喷涂碳化钨（WC-17%Co）涂层的滚动接触疲劳性能和磨损速率，根据磨损形貌及损伤演变分析了涂层的滚动接触疲劳机理。

1材料与试验件

利用激光熔覆成形技术，在钛合金基体表面堆积形成新型的复合涂层，试验件基材为TC18近β钛合金（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe），激光熔覆涂层材料选用WC/TC18混合粉末，TC18粉末粒度为80～200目。

采用连续波固体激光器进行同轴送粉式表面熔覆，激光功率为1.0～1.5kW，光斑直径为5～7mm，扫描速度为800～1000mm/min，送粉率为14～16g/min，涂层厚度为250～350μm。接触疲劳试验件设计参考了YB/T 5345—2006《金属材料滚动接触疲劳试验方法》，试验件尺寸为70mm×28mm，如图1所示。

2复合涂层组织分析

2.1激光熔覆涂层显微组织

观察激光熔覆WC/TC18涂层纵截面（垂直于结合面）组织形貌发现，涂层与基体呈致密冶金结合，无气孔、裂纹等缺陷。WC/TC18涂层厚度为250～350μm，涂层内部WC颗粒呈不规则块状，分布均匀，如图2和图3所示。

由WC/TC18涂层XRD图谱，结合背散射电子像分析可知，激光熔覆WC/TC18涂层的相组成为WC、α相和β相，如图4所示。

2.2激光熔覆涂层表面硬度

激光熔覆WC/TC18涂层纵截面的显微硬度测试结果见表1，其中WC粒子显微硬度均值为2185.74HV，TC18（涂层）显微硬度均值为460.59HV，TC18（基体）显微硬度均值为403.27HV。

3试验与分析

3.1接触疲劳性能测试与分析

将试验样品在25℃±5℃的环境下等温放置4h以上，檢测试验件的圆柱度、表面粗糙度和外径（精确到0.001mm），测量试验件的质量，并做记录。

将试验件（4号）装入对滚试验机，如图5所示，在试验件外圆表面均匀涂抹MP_DX NO.2润滑脂。首次加载时，在静止状态下，先加至试验载荷的10%；检查滚轮接触情况，如果滚轮接触良好，开机运行，检查加载情况和滚轮接触情况，然后在3h运转过程中逐步加载到100%。以后每套试验件因停机检查等情况再次启动试验机时，在试验机运转0.5h过程中逐步加载到试验载荷的100%。

对滚试验机为ABLT-6A型轴承强化寿命试验机，每次装夹两个陪试圆盘，装夹4个试验件，试验载荷通过试验件施加在导轮上。驱动电机通过链轮驱动陪试圆盘匀速旋转，通过摩擦驱动试验件以（90±2）r/min的转速匀速旋转。试验件通过支承轴承被装夹在试验机滑动导轨上，加载油缸通过滑动导轨将不同应力级的试验载荷施加在试验件上，使试验件与陪试圆盘表面的接触应力为规定的接触应力，并保持恒定。

每隔0.5h对试验件表面进行目视检查一次，检查试件表面涂层是否有起泡、剥落等现象。如有起泡、剥落等现象，则停止试验并做记录和拍照，然后用毛刷清洗表面油脂并做进一步检查和记录。每隔0.5h对载荷测量一次，保证载荷的正确性。试验过程中每运转2h（10800r）对试验件外径表面和导轮（陪试件）表面涂抹一次润滑脂。

加载到接触载荷时，试验件在试验载荷下运转10万转停机，卸下试验和导轮放在25℃±5℃的环境中4h以上，测量外径尺寸，并做记录，完成后再行上机试验。以后每隔10万转停机，重复以上测量。试验截止到100万转。

试验终止条件：（1）试验件单块涂层剥落面积≥3mm2；（2）对于麻点剥落，在剥落集中区域处，10mm2面积内出现麻点率达到15%或以上；（3）试验件涂层表面出现起泡、分层、涂层被完全磨去等其他失效；（4）试验件运转了100.17万转。

对比试验的试验件基体材料、试验件尺寸与图1完全相同，表面是超聲速火焰喷涂碳化钨（WC-17%Co）涂层，涂层厚度100～150μm。

试验结果见表2，可以看出，在接触应力为450MPa时，激光熔覆涂层与超声速火焰喷涂碳化钨（WC-17%Co）涂层在达到100.17万转的试验截止值时，都没有发生失效。在接触应力为630MPa时，超声速火焰喷涂碳化钨（WC-17%Co）涂层有两个试验件未失效，其余4件都失效，失效平均寿命是51.84万转。激光熔覆涂层试验件有两个未失效，4件失效，失效平均寿命为100.17万转。

3.2耐磨性能测试与分析

另外，对两种涂层的磨损速率进行测量，数据详见表3。可以看出，在450MPa和630MPa接触应力下，激光熔覆涂层的磨损速率分别为超声速火焰喷涂WC-17%Co涂层的2.13倍和8.79倍。同种涂层随着接触应力的增加，磨损速率也在增加。在相同接触应力的前提下，激光熔覆涂层的磨损速率大于超声速火焰喷涂WC-17%Co涂层，故在仅考虑磨损失效时，激光熔覆涂层的厚度应略大于WC涂层。

3.3失效机理分析

超声速火焰喷涂碳化钨涂层形貌图如图6所示。可以看出，超声速火焰喷涂碳化钨涂层以涂层和基体分层剥落破坏为主。随着循环进行，累积损伤逐渐增加，在涂层与基体之间形成裂纹。在接触应力的反复作用下，裂纹尺寸逐渐增大。当裂纹扩展到足够长度时，润滑油可以进入，在滚动载荷的作用下涂层脱落。

激光熔覆涂层表面形貌图如图7所示。从图7中可以看出，涂层表面发生轻微剥落和涂层被磨损，激光熔覆复合涂层滚动接触疲劳失效机理为循环应力超过材料的疲劳强度，引发裂纹，随着裂纹扩展，涂层发生表面点状剥落失效。

激光熔覆接触疲劳寿命提高的主要原因可能是涂层与基体之间的结合强度得到了提高。这是因为超声速火焰喷涂碳化钨涂层与钛合金基体之间属于“机械结合”，而激光熔覆涂层与钛合金基体属于“冶金级结合”，结合强度显著增强。

4结论

通过研究，可以得出以下结论：

（1）激光熔覆制备的碳化钨（WC）/钛合金（TC18）复合涂层与钛合金基体为冶金结合，WC增强颗粒在涂层中分布均匀。

（2）同等在滚动接触应力水平下，以钛合金基体的激光熔覆复合涂层比超声速火焰喷涂碳化钨涂层具有更高的抗滚动接触疲劳性能，但激光熔覆复合涂层耐磨性较差。

（3）激光熔覆复合涂层滚动接触疲劳失效机理为循环应力超过材料的疲劳强度，引发裂纹，随着裂纹扩展，涂层发生表面点状剥落失效。

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

Liu Yubin，Feng Chenghui，Zhu Xiaojun，Wang Zhigang，Feng 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