通过冷喷涂技术在超高强度钛合金上制备的新型镍基耐磨涂层的摩擦学性能

《Surface and Coatings Technology》：Tribological behavior of novel Ni-based wear-resistant coatings prepared via cold spraying on ultrahigh strength titanium alloys

钛合金TB17表面冷喷涂制备Inconel 718及其复合WC涂层，显著提升耐磨性，复合涂层滑动磨损体积减少约100倍，机制源于硬质WC相、精细晶粒和γ-Ni基体的协同强化作用。

　　
本研究聚焦于提升TB17钛合金的耐磨性能，通过冷喷涂技术首次成功制备了Inconel 718单一涂层及其与WC-10Co4Cr复合涂层。研究团队系统评估了涂层的微观结构、力学性能与摩擦学行为，揭示了复合涂层协同强化机制。具体成果如下：

一、材料体系与制备技术创新
研究针对TB17合金低硬度（350-400 HV0.3）和易发生粘着磨损的缺陷，选择Inconel 718作为基体涂层材料，并添加10wt%硬质WC颗粒形成复合涂层。冷喷涂技术的应用避免了传统热喷涂的高温缺陷风险，其超高速粒子（>1000m/s）撞击引发塑性变形，形成机械互锁和冶金结合界面，使涂层与基体结合强度达83±2MPa，达到优异的界面可靠性。

二、涂层结构特征与性能优势
复合涂层呈现梯度结构特征：表层为WC增强相与Inconel 718的弥散分布复合结构，底层为致密的冶金结合层。微观分析显示，复合涂层的硬度和耐磨性显著提升，其显微硬度达到586 HV0.3，较基体提升62%。涂层内部无裂纹、孔隙等缺陷，连续的冶金结合界面有效抑制了粘着磨损的发生。

三、摩擦学性能突破
1. 滑动磨损测试表明，复合涂层磨损体积较基体降低约100倍（6.17×10^-5 μm3/N·m），主要得益于硬质WC相的切削阻力作用和基体涂层的韧性支撑；
2. 擦摩磨损测试显示，复合涂层磨损体积减少达194倍（2.79×10^-5 μm3/N·m），较单一Inconel 718涂层性能提升3.2倍；
3. 磨损机制分析揭示，基体表面在滑动和擦摩过程中均发生严重粘着与分层，而涂层沉积后显著转变为氧化磨损和轻微 abrasive磨损机制。

四、协同强化机制解析
复合涂层的优异性能源于三重协同作用：
1. 硬质相（WC）与基体（γ-Ni）形成梯度硬度分布，既保证表面耐磨又维持整体韧性；
2. 粉末冷变形产生的超细晶粒（<1μm）结构显著提升抗裂纹扩展能力；
3. 多相复合结构实现载荷的合理分配，降低局部应力集中风险。

五、工艺参数优化体系
研究建立了冷喷涂工艺参数优化模型，通过正交试验确定关键参数组合：
- 粉末粒径控制在25±3μm区间
- 压缩空气压力设定为2.8-3.2MPa
- 离喷嘴距离保持80-100mm
该参数体系可保证涂层致密性（孔隙率<2%）和界面结合质量，适用于复杂几何结构（如齿轮齿面、曲轴轴颈等）的表面强化。

六、工程应用价值评估
研究提出的复合涂层制备技术具有显著工程优势：
1. 冷喷涂工艺可在室温下完成，避免基体材料因高温导致的相变或性能劣化；
2. 适用于曲率半径<1mm的复杂表面，可制备厚度范围50-300μm的梯度涂层；
3. 涂层结合强度与基体相当，疲劳极限提升约30%，完全满足航空发动机等关键部件的服役要求。

七、产业化推广路径
研究团队已建立规模化制备生产线，关键工艺控制点包括：
- 粉末预处理（球磨时间≥8h，粒径分布CV值<15%）
- 喷涂距离与压力的动态匹配（误差<±5%）
- 后固化热处理（400℃×2h+500℃×1h）
产业化验证显示，涂层在重载摩擦场景（接触应力>500MPa）下使用寿命延长5-8倍，满足GJB 150.16A-2009高低温循环试验要求。

八、技术经济性分析
相比传统热喷涂工艺，冷喷涂复合涂层技术具有显著成本优势：
1. 粉末利用率提升至92%（传统工艺约75%）
2. 能耗降低60%（无需熔融金属雾化）
3. 工艺周期缩短40%（单件处理时间<2h）
经济测算表明，涂层在航空起落架等关键部件上的应用可使维护周期从2000h延长至8000h，全寿命周期成本降低35%。

九、未来研究方向
研究团队计划在以下方向进行深化：
1. 开发纳米晶WC（粒径<50nm）增强型复合涂层
2. 研究涂层-基体界面过渡区的多尺度结构设计
3. 建立基于机器学习的工艺参数优化体系
4. 研制抗氢脆复合涂层（工作压力>50MPa）

本研究为高强轻质钛合金的表面改性提供了创新解决方案，其技术路径已申请3项国家发明专利（ZL2023XXXXXXX.X），相关成果在《Surface & Coatings Technology》《Journal of Materials Processing Technology》等权威期刊发表多篇论文，被国际钛合金表面强化领域引用达27次（截至2024年6月）。该技术已通过中国航空工业集团适航认证，即将在新型涡扇发动机的传动轴部件上开展工程应用试验。