飞机钛合金运动件表面激光原位合成自润滑耐磨复合涂层的基础研究

Concerning the poor wear resistance of the titanium alloy for aeroplane moving components, the project aims at the development of cermet high temperature self-lubrication anti-wear composite coatings on Ti6Al4V. The superalloy with excellent high temperature oxidation resistance and high strength and toughness will be used as matrix, the ceramic materials with excellent high temperature wear resistance as reinforced phase, and the solid lubricating with superior high temperature self-lubricating property as self-lubricating phase. The high energy laser bean with rectangular shape will be employed to fabricate cermet high temperature self-lubrication anti-wear composite coatings on the surface of titanium alloy by laser cladding and alloying, the corresponding research will be conducted on composite coatingsʼ materials design and the laser fabrication procedure, and the mechanical model describing the interaction between ceramic phase and metal substrate during the fabrication process will be established. On the basic of systematical research on the intrinsic relationship of the materials processing—microstructure—mechanical properties, the constitution of the composite coatings microstructure with excellent high temperature oxidation resistance, low friction coefficients and outstanding wear resistance capabilities as well as their laser fabricating technique, will be developed. Therefore, the foundation of materials and coating fabrication technique to broaden the commercial application of titanium alloys used as aeroplane key moving parts will be established.

本项目针对飞机钛合金运动部件耐磨性能不足的缺点，拟在钛合金（Ti-6Al-4V）表面制备金属陶瓷自润滑耐磨复合材料涂层并研究其组织结构与摩擦学性能。拟以高温抗氧化性能和强韧性优异的高温合金为基体、高温耐磨性能优异的陶瓷材料为增强相及高温自润滑性能优异的润滑颗粒为自润滑相，引入平顶光束，采用激光熔覆（Laser cladding）技术在钛合金表面制备金属陶瓷自润滑耐磨复合材料涂层，开展相关复合涂层的材料体系设计及其激光制备工艺研究。同时，建立描述激光制备工艺过程中陶瓷相与金属基体相互作用的力学模型，在对复合涂层制备工艺—组织结构—力学性能内在关系进行深入研究的基础上，研究出具有优异高温抗氧化性能、低摩擦系数和优异耐磨性能的复合涂层微结构组成及其激光制备工艺，为拓展钛合金在飞机关键运动部件的商业应用奠定材料和涂层制备技术基础。

本项目针对飞机钛合金运动件（如发动机涡轮叶片、压气机机盘和叶片等）表面硬度低、摩擦系数大和耐磨性能差等性能缺点，通过材料体系设计和自润滑颗粒包覆等手段，采用激光熔覆技术在Ti6Al4V合金及TA2钛合金表面制备出了一系列不同成分的NiCr/Cr3C2-WS2-CaF2、Ni60-hBN、Ni-TiC-WS2金属基和陶瓷基宽温域耐磨自润滑复合材料涂层。深入研究了各涂层的物相组成、微观组织结构和显微硬度，系统评价了钛合金基体和各涂层在室温-800 ℃宽温域范围内的干滑动磨损性能，深入分析了相关磨损机理及对偶件效应，取得了一些重要的研究成果：1）提出了激光原位合成制备高温自润滑耐磨复合涂层材料新体系。针对CaF2、WS2、h-BN、MoS2 等固体自润滑相在激光熔覆过程中易分解、汽化的问题，基于“原位复合和多相混杂强韧配合”的涂层材料设计思想，提出采用自润滑颗粒包覆和激光原位合成含二元、三元金属硫化物自润滑相的自润滑耐磨复合涂层材料新体系；2）成功地在Ti6Al4V合金及TA2钛合金表面制备出系列金属基和陶瓷基宽温域耐磨自润滑复合材料涂层；3）发现了激光熔覆碳化物增强金属基耐磨复合涂层的磨损表面除具有因“显微切削”作用而形成的划痕沟槽特征外，局部区域还出现了因“选择性磨损”而形成显微凹坑，提出了显微凹坑形成的新机制，并建立了显微凹坑的形成模型。4）提出了通过后热处理改善自润滑耐磨复合涂层组织和力学性能的创新思路，激光熔覆是一个快速熔化和快速凝固的非平衡过程，由此造成所制备的涂层内有较大的残余应力，组织远离平衡态，导致激光熔覆涂层在实际工业应用上存在不稳定性，涂层内部产生裂纹等，限制了激光熔覆技术的应用和发展, 本项目提出了通过后热处理改善自润滑耐磨复合涂层组织和力学性能的创新思想。 研究成果发表期刊论文12篇并标注基金资助（其中SCI检索6篇，EI检索3篇，不重复计算），申请国家发明专利4件。