钛合金激光熔覆原位自生CrxSy/Ni基自润滑涂层及其抗原子氧侵蚀性能研究

According to the prospective application of Ti alloys used in space mechanical friction parts and the specific tribological characteristics of materials in space environment and atomic oxygen, the project proposes that a CrxSy/Ni matrix composite coating is fabricated on Ti alloys by laser cladding and in situ synthesis technology. The formation mechanism of in situ CrxSy phase in rapid consolidation condition of laser cladding process are investigated by examining the influence of the composition, the ratio of the clad materials and prcessing parameters of laser cladding on the quantity, size, morphology, distribution characteristics of CrxSy phase in the coating. The influence of enviromental pressure on tribological properties and the precipitation, film formation, transition, impairment and reconstruction mechanism of CrxSy phase during wear process are evaluted by wear test in atmosphere and vacuum. The influence of atomic oxygen on the morphology, composition, structure and tribological properties of the coating is evaluated by atomic oxygen irradiation test. The mechanism of atomic oxygen corroding the coating is also discussed. The research findings will be referenced and provide a new direction for laser clad self-lubricating coating on Ti alloys and its space environment application.

本项目是基于钛合金在空间飞行器运动部件上的应用背景及空间环境因素真空和原子氧对材料摩擦磨损性能的影响而提出的。首先根据真空环境中摩擦偶件间粘着倾向大，摩擦系数高且不稳定的特点，提出采用激光熔覆原位自生技术在钛合金表面制备CrxSy/Ni基自润滑涂层。通过考察熔覆材料成分、配比以及激光熔覆工艺参数对涂层中CrxSy相的数量、尺寸、形态和分布的影响，探讨激光快速熔凝条件下CrxSy相的形成规律；通过大气和真空环境中的摩擦磨损试验，探讨环境压力对涂层摩擦磨损性能的影响规律及CrxSy相的润滑机制（磨损过程中CrxSy相的析出、成膜、转移、损坏和再生）。在此基础上考察原子氧辐照对涂层表面形貌、成分、结构，以及摩擦磨损性能的影响，探讨原子氧对涂层的侵蚀效应与机理。研究成果可为激光熔覆自润滑涂层提供新思路，并为钛合金在空间飞行器运动部件上的应用提供参考。

钛合金具有高的比强度和优异的耐腐蚀性能，是航空航天工业中十分重要的结构材料，但是钛合金存在摩擦系数大、耐磨性差的缺点，在一定程度限制了它的应用范围。此外，随着航空航天技术的发展，要求某些相对运动的部件处于高温、低温、高真空、强辐射、化学污染等特殊工况下工作，此时常用的润滑油和润滑脂难以满足要求，需要材料本身具有自润滑性能。本项目在Ni基合金中加入一定数量的固体润滑剂Ni/MoS2、WS2、h-BN和Ti3SiC2，采用激光熔覆技术在钛合金表面制备了CrxSy/Ni、h-BN/Ni、Ti3SiC2/Ni基自润滑耐磨涂层。主要研究内容：1）探讨了熔覆材料成分及配比、激光熔覆工艺参数等对涂层质量的影响，优化了涂层制备工艺；2）考察了熔覆材料成分、配比以及激光熔覆工艺参数对涂层中原位自生CrxSy润滑相和外加h-BN和Ti3SiC2润滑相的数量、尺寸、形态和分布的影响；3）探讨了激光快速熔凝条件下CrxSy相的形成规律；4）通过大气和真空环境中的摩擦磨损试验，探讨了环境压力对涂层摩擦磨损性能的影响规律；5）探讨了CrxSy相的润滑机制；6）考察了原子氧辐照对涂层表面形貌、成分、结构，以及摩擦磨损性能的影响。. 结果表明：在激光熔覆过程中 MoS2 、WS2发生了分解，分解出的 S 与 Cr 反应形成了CrxSy润滑相，NiCrBSi 合金中的 C、B元素与Cr、基材表层熔化的 Ti 反应形成了TiC、TiB2、CrB、Cr23C6等硬质相。反应形成的 CrxSy润滑相主要呈近球状颗粒形态。由于TiC、TiB2、CrB、Cr23C6等硬质相的硬质强化作用和 CrxSy的润滑作用，激光熔覆层不仅具有较高耐磨性能，而且具有低而平稳的摩擦系数。经过原子氧辐照后，有部分元素被氧化及化合物分解的现象，但并没有发生明显的材料性能改变以及润滑涂层的破坏，CrxSy/Ni基自润滑耐磨涂层具有一定的抗原子氧辐照的能力。研究成果可为激光熔覆自润滑涂层的制备提供理论参考。