钛合金表面耐磨性能增强技术研究进展＊

王冬玲，安江潮，刘思宇，王策，金超，冯明佳

（吉林农业科技学院机械与土木工程学院，吉林 吉林 132101）

1 研究背景

在科学技术快速发展时代的前提下，全球都面临新的科技革命。为此，中国提出《中国制造2025》，航空航天业是其重要发展领域，航空材料加工是实现航空航天装备智能制造的基础[1]。

钛合金是多种用钛与其他金属制成的合金金属，具有强度高、耐蚀性好、密度低、低温性能好，在低温和超低温下仍能保持其力学性能、生物相容性好等多种良好特殊性能，其在航空航天、海洋、汽车、装甲和生物医学设备中得到越来越多的应用[2-8]。在海洋中钛合金已经被广泛应用在鱼雷、舰艇、舰船等制造中。主要用在鱼雷的弹体，潜艇的耐压壳体、推进器、管系、阀门以及声学装置等，舰船的泵、过滤器、管路、电器元件、紧固件等[9-12]。钛合金在航空航天领域被广泛用于军机机身、航空发动机、飞机起落架等零部件且使用比例逐年增长，航空航天业发展重要指标之一就是钛合金的用量。钛合金在汽车工业、医疗器械等领域也都有大量应用，如汽车的发动机气门、曲柄、连杆等，医疗器械中的人体关节替代以及手术器械。

尽管钛合金有很多特殊性能，但也存在一定的缺点，如其较差的摩擦学性能，不能满足强负荷下耐磨性，因而使其应用受到一定限制。关于怎样提高钛合金表面耐磨性能，国内外学者做了大量研究，本文主要综述现阶段表面耐磨技术研究现状以及对相关技术进行展望。

2 钛合金表面耐磨性增强技术研究

2.1 表面改性技术

2.1.1 离子注入

离子注入技术是近年来发展和广泛应用的一种材料表面改性技术。离子注入是在真空中将高能带电离子束射向金属近表层，使其形成新的表面改性层[13]。其具有一定的优点，无涂层膜基结合问题，工件不变形[14]，提高工件表面性能，涂层较薄是其主要缺陷。离子注入技术与喷漆等传统工艺相比具有一定的优点，其稳定性好，能提高材料基体的使用寿命；其跟物理和化学气相沉积比，膜层抗剥落能力强，与基体结合好。离子注入种类主要有非金属元素和金属元素，近年来离子注入技术有向多元注入和离子注入复合工艺发展趋势，可以更加显著增强材料性能。有研究表明，将N3-注入Ti6Al4V 基体表面，新生成的薄膜可以使钛合金耐磨性提高2.5 倍[15]。

2.1.2 热喷涂

热喷涂是将喷料用热源加热熔化，并用高速气流将融化后的喷料雾化成颗粒，并以很高的速度喷射到经过处理的基体表面形成涂层。根据不同需要选择不同涂层材料，可以获得不同性能基体表面，常见的有耐磨、耐腐蚀、抗氧化等。对于提高钛合金表面耐磨性常用的喷料一般为单质金属材料，如Al、Ni 及合金材料TiN、NiCrAl、MCrAlY 等[16]。常用耐磨涂层如表1 所示。有研究表明[17]，用喷料铝在钛合金表面进行喷涂，该涂层在低温下坚硬，但容易发生脱落。

2.1.3 激光熔覆

激光熔覆也被称为激光包覆，它通过在基材表面预先添加熔覆材料，或是将粉末与激光束同步输送，利用高能密度的激光束使熔覆材料与基材表面薄层一起熔凝，从而与基体形成冶金结合。激光熔覆工艺示意图如图1 所示。

图1 激光熔覆工艺示意图[19]

有诸多因素影响激光熔覆层的质量，如激光功率大小、激光束尺寸直径、激光扫描速度或者工件运动速度[19]。MAHAMOOD 等[20]研究了激光扫描速度对Ti6Al4V/TiC 复合材料性能的影响，结果表明随着扫描速度增加，其耐磨性能也随之提高，但是扫描速度有一定的界限值。只有在合适的工艺参数下，钛合金通过激光熔覆才能获得性能优异的涂层。激光熔覆的添料方式有2 种，即预置式和同步式，如图2 所示。

图2 激光熔覆添料方式[21]

预置式即需将熔覆的材料提前放置在基体材料表面，然后使用激光束对熔覆材料进行熔化。同步式即是在激光熔覆采用激光束扫描的过程中，同时把熔覆材料用喷嘴直接送入激光束里，送料和熔覆工作是同时进行的，最终可以在基体表面形成熔覆膜层。2 种添料方式相比，同步式成型好，熔覆层质量和性能高，易于实现自动控制优点。

2.2 微弧氧化复合处理技术

目前在工业产业对钛合金使用需求的驱使下，复合涂层技术也日渐兴起。其中微弧氧化技术拥有环保、自动化程度高等优点，在外电源作用下，短时间即可形成较高硬度、附着力高的氧化膜[22]。此膜层既可以单独使用，也可以进行各种后处理，提高工件承载能力。因此，它也是近年来国内外学者研究的热点。

提高材料摩擦学性能的有效方法之一，是在微弧氧化膜基础上，采用适宜的后处理工艺。其中，最简单实用的一种方式是机械抛光。微弧氧化膜的多孔结构影响其硬度和表面质量，机械抛光去除一定厚度的外表层，可使其露出致密层结构且使表面硬度提高，继而提高材料的耐磨性[23]。另外还有在微弧氧化膜基础上进行水热法加工，该方法是将反应介质装在密封的压力容器中，并将容器进行加热处理，使容器内部达到高温高压的状态，此时，难溶物质会溶解和重结晶[24]。VANGOLU 等[25]研究了钛合金在微弧氧化后与水热法复合处理技术下表面膜的耐磨性能；实验对比发现，与仅进行微弧氧化处理的钛合金相比，复合改性膜在一定条件下摩擦系数降低，磨损率也降低，提高了膜层的耐磨性；但在高载荷作用下该复合改性膜层耐磨性能减弱，因此应用有一定载荷限制。

3 结论与展望

钛合金表面耐磨增强技术在不断更新，除了像离子注入、热喷涂、激光熔覆等单一表面耐磨改性技术外，还有微弧氧化复合处理技术，文中提到了该技术的2 种处理方法。解决热喷涂技术问题的方法和发展趋势尚待研究，未来在喷涂材料和涂层设计以及工艺方法仍需加强理论基础研究。激光表面改性可以提高钛合金表面耐磨性，但其还有很多需要改善的方面，如加工成本降低、环保性提升以及激光加工参数优化，应加强数值模拟分析和梯度功能涂层的研究。离子注入复合对改善材料表面性能有一定的提高，但其工艺的组合及理论还需要进一步研究和完善。微弧氧化技术的环保性高、设备简单、成本低，其表面处理技术有一定的优势，但其相关理论基础还需要进一步完善。随着科技发展，学者们对钛合金表面耐磨性能增强技术的研究会有进一步的突破，会改进目前处理技术的缺点和完善相关理论知识，从而拓宽钛合金的应用范围。