钛合金耐磨损涂层表面工程技术

航空航天技术是高度综合的现代科学技术，也是国家最高工业水平的体现之一。航空航天器在运行过程中需克服重力，且在高温、高速等复杂环境中服役，因此，该领域部件的轻质化要求非常高。钛合金具有高比强度、低密度的优点，可在室温到中高温环境服役，是航空航天零件应用的重要材料。飞机 / 直升机的各类框、梁、机翼壁板、桨毂等 ，现役航空发动机的风扇 / 压气机转定子、压气机机匣、中介机匣等 ，航天用容器、承力结构、紧固件等采用钛合金材料制造，可谓应用广泛。与此同时，相比结构钢或镍基高温合金，钛合金也存在硬度低、耐磨性差、高温氧化抗力差等问题，表面应力集中敏感导致的机械疲劳问题(后简称疲劳)也较突出。综合来说，航空航天领域的钛合金零件长寿命高可靠服役需要克服 3 大问题——磨损、腐蚀和疲劳。

为此，基于钛合金材料，国内外学术与工业领域开展了大量表面工程技术的基础和应用研究，目的是提高钛合金材料及零件的耐磨性、抗氧化性和疲劳抗力，最终实现涂层在钛合金零件的可靠应用。以下将分节对 3大类航空航天钛合金表面工程技术研究进展进行逐一探讨。实际上，钛合金还具备良好的生物相容性，被应用于医学植入物，这方面表面工程技术研究不在本研究讨论之列。其他特殊的，如航空发动机钛合金叶片 / 机匣定转子摩擦部位还可能涂覆封严涂层，以保证气流密闭性提高气动效率，这是发动机单一部位的使用需求，本研究不专门论述。

钛合金硬度低、耐磨性较差是工业界共识，然而，为轻量化和耐室温腐蚀的需求，钛合金零件较多地应用于可能发生摩擦磨损的环境下，比较典型的应用为钛合金起落架活塞杆。工业界采用各种手段将硬质涂层镀覆在钛合金表面，形成“硬壳软芯”结构，同时满足耐磨和受载的需求。

1 沉积、喷涂涂层

采用物理方法在较软的钛合金表面制备硬质涂层，是国内外工程界公认的耐磨方法。Hong 等利用电火花沉积技术在钛合金 TC11 表面镀覆 TiN 涂层，通过厚度、TiN 含量和空隙率等分析了工艺参数对涂微观结构和耐磨性的影响，获得了优化沉积工艺和涂层磨损失效机制。在 TC4 基体表面，曹鑫等采用物理气相沉积的方法制备了 TiN/Ti 梯度涂层，分析了梯度涂层结构在沙尘冲蚀损伤的影响，发现 TiN∶Ti=1∶3时，实现强韧性匹配，耐冲蚀性能最佳。Richard 等利用热喷涂法在钛合金表面制备 ZrO2–Al2O3–TiO2 纳米陶瓷涂层，该涂层相比单一 ZrO2 涂层具有更佳的摩擦系数、耐磨性和耐蚀性。在VT6钛合金表面，Koshuro等采用等离子喷涂氧化铝结合后续微弧氧化方法制备金属氧化物涂层，硬度提高到 1640HV。Liu 等 利用爆炸喷涂方法在 Ti–Al–Zr 合金表面制备了 HV1800 (压头载荷 5g)WC–Co 涂层，在 25~400℃的较宽温域提高了微动疲劳性能。Pawlak 等利用反应电弧沉积制备 Ti–C–N 底层后利用磁控溅射制备WC–C面层，使得 TC4 钛合金耐磨性提高 94%。王俊等采用等离子喷涂在钛合金表面制备氧化物涂层，接着采用激光熔覆方法提高了氧化物涂层硬度。部分涂层结构如图 1 所示。

2 激光熔覆涂层

预涂粉末混合干燥后进行激光熔覆的方法在钛合金表面产生硬质耐磨涂层，同样是国内外研究的热点。Mohazzab和 Wu等采用激光表面处理方法在纯钛或钛合金表面制备了 TiC 和 Ti–Si 硬质层，硬度可达到 1000HV0.1 以上，以提高硬度和耐磨性。Wang 等 [18] 在 TC4 合金表面制备了耐磨性能更佳的精细片层结构纯钛涂层，认为激光熔覆过程的细晶强化作用是提高耐磨性的主要原因。高霁 、Zhao、戈晓岚、蒋松林 、李春燕、林沛玲、刘丹 和刘庆辉 等分别在钛合金表面制备CBN、Ti–O–N、Ti–Al–Nb、WC–Co、Ti–Si–C、Ti–B 或多元素复合(如掺Ni)硬质耐磨层，以引入更高的显微硬度和摩擦磨损性能。Ye、任佳 和相占凤 等在粉末中分别加入碳纳米管和 h–BN(六方氮化硼)，在涂层中形成了软硬混合的相结构，起到了良好的耐磨减磨性能。以上研究中，部分采用了脉冲能量较大的脉冲激光器(如 Nb–YAG)，有的采用了连续的光纤激光器。该类涂层的共同特点是具有熔覆区 – 结合区 – 热影响区 – 基体等多层过渡结构。为分析涂层种类带来的表面硬度梯度差别，将部分文献报道的涂层特性列入表 1。

3 渗层与镀层

沈志超等采用无氰镀铜方法使钛合金 TC4 表面摩擦系数由 0.52降低到 0.38。田晓东等利用辉光离子渗在 TC4 钛合金表面形成MoS2–Mo 渗层，表层减磨，次表层硬化，形成硬度梯度结构。Zhao 等在激光选区熔化制造的钛合金零件表面进行气体渗氮，使其纳米硬度从5.2GPa 提高到 13.3GPa，并降低了摩擦系数。此外，有些研究采用复合处理来提高钛合金耐微动磨损性能。李瑞冬等 认为喷丸+ CuNiIn 涂层可以改善微动磨损性能。刘道新等采用离子渗氮后喷丸的方法，更好地提高了 TC4 合金抗微动磨损和疲劳性能。

4 钛合金耐磨损涂层技术展望

从以上文献分析，耐磨涂层的发展存在以下几个趋势：(1)多元、多工艺复合处理，利用制备工艺特点，制造多元或多层复合结构，在保障涂层硬度的同时，增加韧性，实现强韧化匹配;(2)加强涂层力学性能设计，通过计算仿真手段，获得外载下内应力低、结合力好且结构可靠的耐磨涂层体系。另外，工业界应在保障涂层结构分析的基础上，加强涂层的模拟服役性能试验，在实践中获得真知，加快研究结果应用。