Ti2AlC增强镍基复合涂层的激光熔覆制备及其在制动盘摩擦磨损性能优化中的应用研究

为解决重型商用车制动盘因磨损导致的颗粒物排放问题，土耳其萨卡里亚大学团队通过激光熔覆(LC)技术制备Ni-Ti2AlC复合涂层。研究发现30% Ti2AlC添加使涂层硬度提升2.09倍，摩擦系数降至0.38，磨损率降低32%，为满足欧7排放标准提供了新型耐磨材料解决方案。

　　

随着环保法规日益严格，制动系统产生的颗粒物排放已成为汽车行业亟待解决的难题。特别是重型商用车制动过程中，铸铁制动盘与刹车片摩擦产生的细颗粒物(PM)占交通领域总排放量的近半数。更严峻的是，电动汽车的普及使得非尾气排放占比进一步升高。欧盟最新颁布的欧7标准首次将制动PM₁₀纳入监管范围，这迫使行业必须开发新型耐磨制动材料。

传统铸铁制动盘面临两大核心矛盾：既要承受制动时高达千度的瞬时高温，又要最大限度减少磨损颗粒的产生。激光熔覆(LC)技术因其能形成冶金结合的致密涂层，成为提升制动盘性能的突破口。然而，现有镍基涂层虽具备良好的高温性能，但在长期摩擦工况下仍存在硬度不足、磨损率高等问题。

土耳其萨卡里亚大学(Sakarya University)工程学院的研究团队创新性地将MAX相材料Ti₂AlC引入镍基涂层体系。这种兼具陶瓷和金属特性的三元层状化合物，以其独特的Ti₂AlC晶体结构，既能通过原位生成的TiC颗粒强化基体，又能利用弱结合的Al原子层实现自润滑效果。研究人员采用激光功率600W、扫描速度100mm/s的工艺参数，在灰铸铁(EN-GJL-250)基体上成功制备出Ti₂AlC含量从5%到30%的梯度复合涂层。

关键技术方法包括：1) 采用行星式球磨实现Ni与Ti₂AlC粉末的均匀混合；2) 通过六轴Kuka机械臂控制激光熔覆过程；3) 使用M50钢球(硬度52HRC)进行500米滑动距离的摩擦测试；4) 结合SEM-EDS和XRD分析涂层微观结构与相组成；5) 采用3D轮廓仪量化磨损体积。

研究结果揭示：

1. 微观结构特征：30%Ti₂AlC涂层呈现均匀分布的等轴晶和细枝晶结构，原位生成的TiC颗粒尺寸<5μm。XRD检测到TiC和Ti_xAl_y新相，EDS证实Ti:Al:C原子比接近2:1:1的MAX相特征。

2. 力学性能提升：30TiAlC涂层显微硬度达632HV，是纯镍涂层的2.09倍。硬度提升源于三重机制：TiC颗粒的弥散强化、晶粒细化(平均晶粒尺寸减少37%)以及Al元素的固溶强化效应。

3. 摩擦学行为：在5N载荷下，30TiAlC涂层的摩擦系数稳定在0.25-0.35，较纯镍涂层降低53%。磨损率分析显示，1N载荷时磨损体积仅3.16×10^-5mm³/Nm，较基础镍涂层改善32%。

4. 磨损机制转变：随着Ti₂AlC含量增加，主导磨损机制从粘着磨损(纯镍)逐步转变为磨粒磨损(30TiAlC)。高载荷下(5N)，30TiAlC涂层表面形成连续润滑膜，氧含量仅3.33%，远低于5TiAlC涂层的45%。

这项发表于《Journal of Materials Research and Technology》的研究具有双重意义：在科学层面，首次阐明了Ti₂AlC在激光熔覆过程中的相变规律及其对镍基体晶粒细化的作用机制；在工程应用层面，开发的30TiAlC涂层将制动部件寿命延长近1倍，为满足欧7排放标准提供了切实可行的技术路径。特别是涂层中Ti₂AlC分解形成的纳米TiC网络结构，既保证了高硬度又维持了良好韧性，这种"刚柔并济"的特性使其在极端制动工况下展现出独特优势。研究团队指出，下一步将开展整车工况模拟测试，推动该技术向产业化应用迈进。