● 摘要
钛合金具有密度低、比强度高、热稳定性好、耐蚀性能及生物相容性优异等一系列优点，在航空航天、航海、石油化工、生物材料等领域得到越来越广泛的应用。然而由于钛合金硬度低、摩擦系数高、导热性差的本征特性，导致其耐磨性能较差，且具有严重的粘着磨损和微动磨损敏感性，限制了钛合金作为摩擦磨损运动副零部件的应用。因此，通过表面改性处理技术改善钛合金的摩擦学行为具有重要意义。
本文针对钛合金耐磨性能较差的固有缺陷，并考虑到对磨副的保护，采用Ti粉、Al粉和TiC粉为原材料，在TA15钛合金基材表面激光熔覆制备出以原位生成Ti3AlC2为自润滑相、TiC为硬质增强相、Ti为基体的耐磨自润滑复合材料涂层。在提高钛合金耐磨性能的同时，降低摩擦系数，以减小对磨副的磨损。本文系统研究了Ti粉、Al粉和TiC粉原材料的成分配比、激光熔覆工艺参数对Ti3AlC2/TiC/Ti复合材料涂层组织的形成规律以及组织与性能之间的影响，并通过优化工艺、组织和性能，提高了TA15钛合金的耐滑动磨损和微动磨损性能，降低了对磨副的磨损，延长了钛合金零部件及对磨副的使用寿命。同时，激光熔覆Ti3AlC2/TiC/Ti多相复合材料涂层提高了钛合金的高温抗氧化性能，扩大了钛合金的使用范围。研究结果表明：
1.采用激光熔炼技术，以1:1.2:2比例的Ti粉、Al粉和TiC粉为原料，可快速制备出三元层状化合物Ti3AlC2材料，材料中含有Ti2AlC和TiC；以1:1.2:2比例的Ti粉、Si粉和TiC粉为原料，可快速制备出Ti3SiC2/TiC复合材料。通过对激光熔炼工艺参数及熔炼过程的探讨，揭示了MAX相的形成规律和机理。结果表明，在激光熔炼过程中，当熔池温度超过MAX相材料形成分解的平衡温度时，已经生成的MAX相材料晶体结构中的A原子层脱离M-X层，MAX相材料发生分解、形成TiC。
2. 采用激光熔覆技术，以Ti粉、Al粉和TiC为原料，在TA15钛合金表面制备出原位生成Ti3AlC2/TiC/Ti复合材料涂层，涂层显微组织为片层状Ti3AlC2金属陶瓷相分布于枝晶状TiC增强相周围，枝晶状TiC增强相均匀分布于Ti基体上。原位生成形成的高硬度树枝晶TiC增强相使得涂层具有高的显微硬度，各涂层的平均显微硬度在HV750~1150，是TA15基材的2~3倍。涂层显微硬度随TiC含量的增加而增加、随Ti3AlC2含量的增加而降低。涂层与基材呈冶金结合，且具有一定的韧性和阻止裂纹扩展的能力。但是，在以外加Ti3AlC2粉末材料的方式激光熔覆时，Ti3AlC2发生分解，制备出的涂层显微组织中不含有Ti3AlC2。
3. 在盘块式室温干滑动磨损实验条件下，激光熔覆Ti3AlC2/TiC/Ti多相复合材料涂层呈现出优异的综合耐滑动磨损性能。涂层的耐磨性随TiC增强相体积分数的增加而增加，摩擦系数随Ti3AlC2自润滑相体积分数的增加而增加，且表现出较低的载荷敏感性。预置合金粉末Ti:Al:TiC=1:0.8:2时涂层中Ti3AlC2:TiC:Ti的体积分数比为14:42:44，该涂层具有优异的综合耐磨自润滑性能。载荷为123 N时涂层相对耐磨性为TA15基材的6倍，摩擦系数由TA15钛合金基材的0.6降低到0.3；载荷为157 N时涂层相对耐磨性为TA15基材的7倍，摩擦系数由TA15钛合金基材的0.65降低到0.3。该涂层对磨副失重约为不含Ti3AlC2自润滑相涂层的1/2。
4. 在微动磨损实验条件下，激光熔覆Ti3AlC2/TiC/Ti多相复合材料涂层也表现出优异的综合耐微动磨损性能和较低的摩擦系数，以及较低的温度敏感性。预置合金粉末Ti:Al:TiC=1:0.8:2时涂层的室温相对耐磨性为TA15基材的4.5倍，摩擦系数由TA15钛合金基材的0.7降低到0.3；在400℃高温下涂层相对耐磨性为TA15基材的5倍，摩擦系数由TA15钛合金基材的0.8降低到0.35。该涂层对磨副失重约为不含Ti3AlC2自润滑相涂层的1/2。
5. 对激光熔覆Ti3AlC2/TiC/Ti复合材料涂层的高温抗氧化性能研究表明，涂层的高温抗氧化性能随Ti3AlC2含量的增加而提高。在800℃下，各涂层氧化增量曲线服从直线规律，氧化速率基本保持稳定，涂层的氧化速率由TA15钛合金基材的0.23 mg·cm-2·h-1降低到0.06~0.15 mg·cm-2·h-1；在1000℃下，涂层的氧化速率由TA15钛合金基材的3.3 mg·cm-2·h-1降低到1.7~2.5 mg·cm-2·h-1。
6. 对激光熔覆Ti3AlC2/TiC/Ti多相复合材料涂层的耐蚀性能研究表明，涂层在1 mol/L NaOH溶液中几乎不发生腐蚀，具有优异的耐蚀性能；在1 mol/L H2SO4溶液中会发生轻微局部腐蚀；在3.5%NaCl溶液中，因涂层含Al元素的钝化膜受到Cl-离子的溶解，会发生点蚀现象。