● 摘要
在航空、航天、石油、化工及钢铁、有色金属冶金等先进工业及国防现代化工业生产装备中，存在着大量在高温、腐蚀、高速、重载等恶劣环境条件下承受强烈摩擦磨损作用的耐磨运动零部件，由于其工作条件十分恶劣，对材料性能要求非常苛刻，要求其兼具优异的耐磨损性能、高温抗氧化性能、摩擦学相容性以及良好的强韧性配合，传统的合金材料很难同时满足上述使用要求。难熔金属硅化物Ti5Si3具有密度低、熔点高、高温硬度高、高温稳定性好、高温抗氧化性能优异且在高温下具有较高的韧性以及原子间金属键与共价键共存的强键结合性质，表现出优异的高温耐磨料磨损、耐粘着磨损以及优异的高温抗氧化性能，有望成为一种具有发展前途的高温耐磨合金新材料，然而其本身固有的严重的室温脆性制约了它的应用。通过合金化方法引入韧性第二相是改善金属间化合物室温脆性最有效的方法之一。具有B2体心立方晶体结构的金属间化合物CoTi室温具有相对较好的韧性与耐磨性能，且具有反常的强度与温度关系。据此，本文采用激光熔炼技术制备出了金属间化合物CoTi增韧难熔金属硅化物Ti5Si3新型高温耐磨合金，采用OM、SEM、XRD、EDS等方法分析了合金的显微组织及相组成，利用显微硬度压痕法评估了合金的弹性模量及断裂韧性，测试了合金的室温压缩性能、室温与高温耐磨性能、高温稳定性及高温抗氧化性能，并分析了它们的行为机理。研究结果表明：1. 利用激光熔炼技术制备出以难熔金属硅化物Ti5Si3作增强相、以金属间化合物CoTi作基体的Ti-Co-Si三元金属间化合物合金，其合金成分配比为：42.9Ti-57.1Co (wt. %) (合金A)，50Ti-43.8Co-6.2Si (wt. %) (合金A1)，55.7Ti-33.6Co-10.7Si (wt. %) (合金A2)和58Ti-29.3Co-12.7Si (wt. %) (合金A3)。制得的合金显微组织致密均匀，且随增强相Ti5Si3体积分数的增加，合金显微组织由亚共晶向过共晶转变。其合金平均硬度分别为HV360、HV512、HV648和HV725，密度分别为5.92 g/cm3、5.67 g/cm3、5.33 g/cm3和5.08 g/cm3，可以看出，随着增强相Ti5Si3体积分数的增大，合金平均显微硬度增大，密度减小。2. 利用显微硬度压痕法测试并估算了Ti-Co-Si三元金属间化合物合金50Ti-43.8Co-6.2Si (wt. %)、55.7Ti-33.6Co-10.7Si (wt. %)和58Ti-29.3Co-12.7Si (wt. %)的断裂韧性，并评估了合金韧性相CoTi的增韧作用。结果表明，随着韧性相CoTi体积分数的增大，合金的断裂韧性显著提高，韧性相CoTi可以对增强相Ti5Si3起到有效的韧化作用。3. 室温单轴压缩实验结果表明，合金50Ti-43.8Co-6.2Si (wt. %)、55.7Ti-33.6Co-10.7Si (wt. %)和58Ti-29.3Co-12.7Si (wt. %)的抗压强度分别为1410 MPa、1310 MPa与1220 MPa，随着增韧相CoTi体积分数的增加，合金抗压强度增大，极限压缩变形率也增大。4. 室温干滑动磨损测试结果表明，激光熔炼Ti-Co-Si三元金属间化合物合金具有优异的耐磨损性能。增强相Ti5Si3的高硬度、基体CoTi相对优异的室温韧性、金属间化合物反常的强度温度关系以及在磨损过程中合金磨损表面形成的均匀致密的涂抹转移保护层是合金具有优异室温干滑动磨损性能的主要原因。对磨副种类、载荷、相对滑动速度、滑动行程以及合金增强相Ti5Si3的体积分数对合金的磨损性能影响较大。对磨副种类不同，增强相Ti5Si3的体积分数对合金耐磨性能的影响规律不同：当对磨副种类为抗高温回火软化能力较差的45#钢时，Ti-Co-Si三元金属间化合物合金的耐磨性能随增强相Ti5Si3体积分数的增大而提高；当对磨副种类为WC/Co硬质合金对磨环时，Ti-Co-Si三元金属间化合物合金的耐磨性能随增强相Ti5Si3体积分数的增大而下降。同时，合金还表现出优异的对载荷不敏感性，在较高相对滑动速度下磨损失重较小，且随滑动行程的增加，磨损体积失重率下降等特性。5. 高温滑动磨损测试结果表明，激光熔炼Ti-Co-Si三元金属间化合物合金具有优异的高温耐磨损性能，合金在高温下磨损表面形成较厚的涂抹保护层是其具有优异高温耐磨损性能的原因。随着增强相Ti5Si3体积分数的增大，合金高温耐磨损性能提高，且合金在严酷的高温环境下表现出优异的对温度变化的不敏感性。6. 高温稳定性试验结果表明，Ti-Co-Si三元金属间化合物合金在较高温度下长时间保温不会发生组成相严重长大或生成有害相等现象，具有优异的高温组织稳定性。值得注意的是，经过1000 ℃/100 h高温时效处理，合金50Ti-43.8Co-6.2Si (wt. %) CoTi初生相上弥散析出粒径约为0.1-1 m的细小均匀的Ti5Si3球状增强相，使得合金的强度与硬度均得到一定程度的提高。7. 恒温氧化测试结果表明，在800-1000 ℃温度范围内，Ti-Co-Si三元金属间化合物合金具有较优异的高温抗氧化性能，其氧化曲线满足抛物线氧化定律，当温度达到1100 ℃时，合金高温抗氧化性能明显下降；随着增强相Ti5Si3体积分数的增大，合金高温抗氧化性能提高。Ti-Co-Si三元金属间化合物合金高温下表面形成的氧化膜结构大致可分为三个区间，最外层为CoO外氧化层，中间层为TiO2、CoO及Co2TiO4混合氧化物层，最内层为TiO2内氧化层，其中可能含有一定量的SiO2氧化物，此外，合金基体与氧化膜交界处还存在一层富含Co、Si元素的无组织特征带状转变区，能够有效地减缓O元素向合金基体扩散与合金Co元素向表面层扩散的速度，且合金表面形成的氧化膜致密度较高、与基体结合相对紧密，TiO2内氧化层边缘起伏不大、不易对合金基体进行有效地“切入”加深氧化等因素均为Ti-Co-Si三元金属间化合物合金具有优异高温抗氧化性能的原因。8. 经过高温时效处理的合金50Ti-43.8Co-6.2Si (wt. %)其显微硬度、室温压缩性能与耐磨损性能较原始合金均有一定程度的提高，其显微硬度提高了约HV100，抗压强度提高了约100 MPa，室温干滑动磨损性能提高了约1.5倍，高温滑动磨损性能提高了约1.13倍，但高温抗氧化性能相对有所下降。实验表明，将合金50Ti-43.8Co-6.2Si (wt. %)在300 ℃下保温一段时间，其后再进行高温时效处理，合金CoTi初生相上不再有Ti5Si3颗粒增强相析出（抑或在同等观察条件下观察不到Ti5Si3颗粒增强相析出），应用此方法可有效减轻因高温时效相变引起的合金50Ti-43.8Co-6.2Si (wt. %)高温抗氧化性能下降的影响。