3.1.5　原位合成TiN增强Ni/Ti熔覆层摩擦学性能

物体的表面与相接触的物质之间发生相对运动时，出现阻碍运动且能量耗损的现象称为摩擦，由此造成表面损伤或材料逐渐损失的过程叫做磨损[97]。很多工件在使用过程中的失效都是由表面失效引起的，零件表面的耐磨性决定着零件的寿命。采用等离子熔覆技术，在Ni/Ti合金熔覆层中原位合成TiN陶瓷强化相，用来提高熔覆层的硬度和韧性，同时期望获得较好的摩擦学性能，以提高材料表面的耐磨性。因此分析TiN增强Ni/Ti合金熔覆层在不同加载条件下的摩擦系数、耐磨性，并对熔覆层的磨损机理进行研究，为等离子熔覆制备复合涂层的工程应用奠定良好的试验和理论基础。

3.1.5.1　摩擦学测试方法

摩擦学实验在美国CETR公司生产的UMT-3型多功能摩擦磨损试验机上进行，接触模式为球盘式接触，接触载荷为20～50N，滑动频率为15Hz，磨痕行程为4mm，时间为20min。试验过程中，将尺寸为10mm×10mm×10mm的样品表面进行砂纸精磨并抛光，用502胶水将样品粘到试验台上，保证样品表面与对磨球之间有良好稳定的接触。对磨球为Si₃N₄陶瓷球，陶瓷球基本材料参数如表3.6所示。摩擦系数采用试验机自带的软件实时测量，试验磨损体积的测量采用3D激光显微镜。磨损体积测试结果为每个参数下三个磨损样品试验结果的平均值。

3.1.5.2　摩擦性能

熔覆层和基体在三种载荷下的摩擦系数如图3.14所示，可以看出在三种载荷下熔覆层的摩擦系数均小于基体。这是由于在干滑动摩擦条件下，摩擦力是黏着效应和犁沟效应产生阻力的总和，由此可以说明，复合涂层的黏着磨损和犁沟磨损抗力远高于FV520B不锈钢基体。从熔覆层和基体的摩擦系数可以看出，在三种不同的载荷下，基体的摩擦系数较平稳，说明随着时间的延长，基体的磨损失重逐渐减少。而熔覆层摩擦系数在三种载荷下都有不同程度的波动，这是由熔覆层材料组织的特殊性引起的。在熔覆层内原位合成了TiN陶瓷颗粒，在摩擦磨损过程中，部分TiN颗粒在对磨球的尖端磨损下脱落，从而带动了其周围材料的整块脱落；同时在熔覆层的磨痕内，脱落的TiN颗粒具有较高的硬度，起到磨粒的作用，导致了熔覆层磨损失重的不稳定，从而导致了摩擦系数的不稳定，进而出现不同程度的波动。

从图3.14中可以看出，熔覆层的摩擦系数在20N下稳定后达到0.58左右，30N下达到0.5左右，而在50N下达到0.45左右。而基体摩擦系数在20N下稳定后达到0.7左右，在30N下稳定后达到0.65左右，而在50N下稳定后达到0.6左右，可以看出在三种载荷下熔覆层的摩擦系数都比基体低。随着载荷的增大，熔覆层和基体的摩擦系数都有降低的趋势，这是由于载荷是通过接触面积和接触状态来影响摩擦力的。熔覆层和基体都为金属，在摩擦接触的过程中都属于弹塑性接触状态。随着载荷的增大，对磨球和摩擦面的接触点数目和接触点尺寸都将增加，导致实际的接触面积与载荷的非线性关系，进而导致随着载荷的增加，熔覆层和基体的摩擦系数呈下降趋势[98]。

3.1.5.3　摩擦磨损机理

图3.15是熔覆层在20N、30N和50N三种载荷下，低倍的磨痕形貌和高倍的磨损形貌。从熔覆层磨痕的宏观形貌可以看出，随着载荷的增大，熔覆层的磨痕宽度逐渐增大，磨痕的深度也增加。从熔覆层在室温干滑动磨损后高倍下的微观磨损形貌，可以看出熔覆层的磨痕比较浅。在20N和30N载荷下，磨痕底部较平滑，磨痕内没有发现明显的犁沟和磨粒磨损，只有少量的擦痕和磨屑；在50N载荷下，熔覆层内出现较多的磨屑，这是由于大载荷下熔覆层的磨损量较大，较多的磨屑在磨痕底部堆积，但是仍未出现明显的犁沟，这表明熔覆层在不同的载荷下具有良好的抵抗犁沟变形和磨粒磨损的能力。

由图3.14已知，随着载荷增大，熔覆层和基体的摩擦系数出现降低的趋势，且熔覆层的降低幅度大于基体。这是由于在熔覆层的材料内，出现了软基体中的硬质相承载机理。在熔覆层内，原位合成的TiN陶瓷相与Ni/Ti基质合金相比具有较大的硬度和强度，硬质TiN相分布在基体合金的软基体上，由软相基质合金支撑。软基质相可以使硬质相在对磨球的载荷作用下压力分布较为均匀。当载荷增加时，增大的压力使硬质相陷入软相基体中硬质相承载作用增大从而达到载荷的均匀分布。同时，从图3.15可以看出，随着载荷的增大，熔覆层的磨损量增大，磨痕内出现了较多的磨屑，由于磨屑并不能从磨痕内排出，被对磨球在滑动过程中产生的加载力压在了磨痕内，经过反复的滑动和挤压，部分磨屑被压在磨痕底部，对未磨损的材料起到了“保护层”作用，阻止了材料被继续磨削。图3.15（e） 30N和（f）50N的高倍形貌下可以看到，磨痕底部有整块的白色磨屑，这就是在反复滑动过程中被挤压到磨痕底部的磨屑。

图3.16是基体在低倍和高倍下的磨损形貌。在不同的载荷下，不锈钢试样基体的磨损表面都出现明显的犁沟变形和磨粒磨损特征，磨痕内分布着大量的犁沟与磨屑。犁沟的形成是由于对磨球上的硬质颗粒在磨损过程中发生脱落，在载荷作用下以一定的角度和基体材料接触。磨粒在载荷作用下对基体材料的作用力可以分解为横向切向力和纵向法向力，在法向力的作用下磨粒被压入基体材料内，对基体材料表面产生犁削作用；而磨粒在切向力作用下，使基体材料表面产生塑性变形和磨痕，同时材料被磨粒挤压、推移到磨粒运动方向的两边或前沿，从而使磨粒运动方向的两边形成材料的推挤隆起，而在中间形成了犁沟。在图3.16（f）中可以看到犁沟边缘出现的白色堆积物，表明材料表面是由磨粒造成的塑性变形导致了磨屑堆积。虽然在磨粒运动方向的前沿和两边堆积的材料发生了较大的塑性变形，但是这种塑性变形并没有使堆积材料发生剥落，而是由于磨粒作用，这些堆积材料被反复压平、推挤，经过多次的塑性变形后，使材料发生剥落，脱离基体后形成了磨屑。

反应等离子熔覆TiN复合涂层具有良好的耐磨性，其主要原因是熔覆层硬度高。耐磨性较好的TiN相在涂层中分布较多，熔覆层内的TiN在磨损后裸露凸起分布在涂层表面，较硬的TiN和对磨球发生接触，可以有效地降低界面的黏着力和摩擦力，降低摩擦系数。同时，凸起的TiN具有较高的硬度和较低的摩擦系数，在磨损过程中主要是TiN颗粒与对摩球发生接触，起抗磨“骨干”的作用，避免了涂层中软质相的磨损。其次，熔覆层的组织为初生相的TiN胞状树枝晶弥散分布在基质Ni/Ti合金熔覆层上，这种组织的熔覆层具有较高的硬度。Ni₃Ti相、Ti相、（Fe，Ni）相组成的基质熔覆层具有良好的韧性和塑性，能够抵抗磨损过程中的犁沟变形，同时能够为TiN强化相提供可靠的黏附和支撑，避免了磨损过程中TiN在剪切应力下轻易脱落的问题，从而抑制了磨损过程中的犁沟变形和磨粒磨损，提高了涂层的耐磨性。

图3.17是熔覆层和基体在20N、30N、50N三种不同载荷下磨痕的三维形貌（彩图参见目录中二维码）。从熔覆层和基体的三维形貌图中可以看出，在不同的载荷下熔覆层的底部都较为平滑，无犁沟现象，而在三种载荷下基体的磨痕底部都有不同程度的犁沟现象。该现象与三种载荷下熔覆层失效形貌（图3.15）和基体的失效形貌（图3.16）结果相一致。利用3D激光显微镜自带的软件对熔覆层和基体的磨损体积进行了测量，结果如表3.7所示。可以看出在20N、30N、50N下熔覆层和基体的磨损体积分别为2.0636×109μm3、6.364×109μm3、18.47×109μm3和8.2547×109μm3、38.43×109μm3、140.86×109μm3。由表3.7可以看出在不同的载荷下熔覆层的磨损体积都比基体小很多。

图3.18是熔覆层和基体的磨损体积柱状图，可以看出三种载荷下熔覆层的磨损体积远小于基体的磨损体积。为了表征熔覆层相对基体的耐磨性，采用式（3.2）来计算相对耐磨性εW：

　（3.2）

熔覆层的耐磨性用于表征熔覆层在相同单位时间内或单位运动距离内产生的磨损量。耐磨性是一个无量纲参数，耐磨性值的大小表征了材料耐磨性能的好坏，耐磨性的评价需要一个用于比较的标准样品。为了表征材料的耐磨性，以基体为标准样品，以相同时间内熔覆层在不同载荷下相对于基体的磨损量为熔覆层的耐磨性，如图3.18（b）所示。熔覆层相对基体的耐磨性在20N、30N和50N三种载荷下分别为4.0、6.04和7.626。可以看出随着载荷的增大，熔覆层相对基体的耐磨性逐渐增大，表明熔覆层的耐磨性提高。

根据对基体和熔覆层在20N、30N、50N三种不同载荷下的摩擦系数、磨损机理和耐磨性的分析讨论，可以得到下列结论。

①在三种载荷下，熔覆层的摩擦系数都比基体低。由于磨痕内部分TiN相发生脱落，导致磨损量不稳定，使在磨损过程中摩擦系数出现了不同程度的波动。熔覆层和基体的摩擦系数都随着载荷的增大出现了降低趋势，熔覆层较基体具有较好的减摩作用。

②对熔覆层和基体的磨痕进行SEM分析，发现在三种载荷下，基体的磨痕内出现了较多的犁沟和磨屑，主要的磨损失效模式为磨粒磨损。而熔覆层在20N和30N下，磨痕底部较平滑，在50N下熔覆层的磨痕内出现较多的磨屑。

③在三种载荷下，熔覆层的磨损体积较基体减小很多，相对基体的耐磨性分别为4.0、6.04、7.626。熔覆层具有较好的耐磨性是由于熔覆层硬度较高，熔覆层内的TiN颗粒起到了抗磨“骨干”的作用。随着载荷的增大，熔覆层相对基体的耐磨性出现了增大趋势，这是由于在较大的载荷下，熔覆层内较多的TiN硬质相在Ni/Ti软质相上平均分担了载荷，同时熔覆层磨痕内产生了较多磨屑，磨屑被挤压在磨痕内部，起到了“保护层”作用，减少了熔覆材料的磨损。