《Surface and Coatings Technology》：Enhancing surface wear resistance of Ti-6Al-4?V alloy by constructing (NbTi)C/NbTi-NbTi composite-gradient coating
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•成功地在Ti-6Al-4 V上制备了(NbTi)C/NbTi-NbTi梯度涂层。•涂层中呈现出交替的硬碳化层和韧性的NbTi层。•揭示了涂层增强性能的磨损机制。引言目前，Ti-6Al-4 V（TC4）钛合金因其低密度和高比强度（4.43 g·cm?3，200 MPa·cm3
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成功地在Ti-6Al-4 V上制备了(NbTi)C/NbTi-NbTi梯度涂层。
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涂层中呈现出交替的硬碳化层和韧性的NbTi层。
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揭示了涂层增强性能的磨损机制。
引言
目前，Ti-6Al-4 V（TC4）钛合金因其低密度和高比强度（4.43 g·cm?3，200 MPa·cm3/g）而在航空航天、交通运输和石油开采领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。随着关键耐磨部件朝着更高载荷、更高转速和更长使用寿命方向发展，对TC4钛合金的耐磨性提出了越来越严格的要求[5]、[6]、[7]。因此，大量研究致力于在TC4钛合金表面制备耐磨涂层。一般而言，TC4钛合金的传统涂层设计采用单相陶瓷涂层，如WC[8]、TiC[9]、SiC[10]和B?C[11]。这些单相陶瓷涂层以提高TC4的耐磨性为代价牺牲了韧性，因此在循环载荷或反复滑动下会产生严重的应力集中，最终导致裂纹萌生和涂层剥离[12]、[13]。因此，防止涂层过早失效是一个重大挑战。
迄今为止，已有大量工作致力于提高涂层的韧性。所提出的两种主要结构设计之一是硬/软交替复合涂层结构，即在硬相中引入韧性金属或石墨，赋予涂层自润滑能力[14]、[15]。Zhao等人[16]在TC4上制备了FLG（少层石墨烯）/SiC涂层，其中SiC作为硬相提高耐磨性，而FLG作为韧性相提供减摩能力。所得的"硬支撑/软润滑"FLG/SiC涂层显著提高了涂层的整体摩擦学性能。Zhang等人[17]在TC4上制备了TiC/Ni复合涂层，发现Ni60合金的加入可以有效补偿TiC韧性差的缺陷。同时，Ni60的快速熔化使其与TC4基体形成强烈的冶金结合。另一种策略是陶瓷/金属梯度涂层结构，即在基体表面沉积金属过渡层，然后在过渡层上制备陶瓷层[18]、[19]。对于这种梯度涂层结构，陶瓷相有助于表面强化，而金属相则增强了韧性。Hao等人[20]揭示，通过磁控溅射制备的TiC-Ti梯度涂层表现出高硬度和良好的断裂韧性。Yang等人[21]通过过滤阴极真空电弧沉积制备了TiSiN-Cr陶瓷-金属梯度涂层，发现硬相TiSiN和韧性相Cr的共存同步提高了涂层的耐磨性和韧性。
尽管上述两种涂层结构可以有效提高整体摩擦学性能，但仍存在一定局限性。对于复合涂层，对硬相和软相之间的结合状态关注不够，这可能导致软相在磨损过程中过度粘附在表面，从而逐渐丧失减摩能力。对于梯度涂层，涂层韧性的提高主要依赖于金属过渡层，而陶瓷层的韧性往往被忽视，导致长期磨损过程中出现表面剥落。为解决这些问题，本工作提出了一种独特的(NbTi)C/NbTi-NbTi复合-梯度涂层结构。(NbTi)C陶瓷层不仅继承了TiC和NbC的高硬度，而且表现出比TiC或NbC更好的韧性，从而具有优异的综合力学性能[22]、[23]。此外，NbTi合金表现出良好的韧性和与TC4的结构相容性[24]。
在本研究中，通过等离子熔覆、固溶处理、铁镀和固体渗碳制备了(NbTi)C/NbTi-NbTi复合-梯度涂层。系统地研究了梯度涂层各结构层对微观结构和性能的影响。探讨了梯度涂层的形成机制、结合机制和磨损机制。本研究可以为设计制备具有更好综合性能的TC4表面涂层提供一种可行的策略。
章节摘要
材料制备
原材料为锻压退火Ti-6Al-4 V合金，尺寸为23 × 23 × 8 mm（宝鸡亿佰特新材料科技有限公司，中国），直径1 mm的NbTi合金丝（宝鸡治高有色金属有限责任公司，中国），碳黑粉（江苏XFNANO新材料科技有限公司，中国），四水氯化亚铁、碳酸钡和无水碳酸钠（国药集团化学试剂有限公司，中国）。Ti6Al4V合金和NbTi合金丝的表面
相组成和微观结构
图2显示了(NbTi)C/NbTi-NbTi涂层的XRD图谱。由图2可知，所得涂层由TiC、(NbTi)C和NbTi相组成。35.2°、40.9°、59.0°和70.6°处的衍射峰对应于(NbTi)C的(111)、(200)、(220)和(311)晶面（JCPDS 00–047-1418），38.8°、56.1°和70.3°处的衍射峰对应于NbTi的(110)、(200)和(211)晶面（JCPDS 03–065-9436），而36.1°、41.9°、60.8°、72.8°和76.6°处的峰对应于(111)、(200)、(220)、(311)和(222)
(NbTi)C的形成机制
关于NbTi层的形成，可以通过Nb
Ti相图和固溶过程中Nb和Ti的扩散行为来解释。从图11可知，Nb和Ti元素在400 °C时表现出完全互溶，表明固溶体形成具有很高的热力学倾向。至于为什么选择850 °C的温度，这是因为该温度提供了足够的热激活以促进元素扩散和均匀化
结论
在本研究中，通过等离子熔覆、固溶处理、铁镀和固体渗碳的组合制备了(NbTi)C/NbTi-NbTi复合-梯度涂层。研究了其微观结构、力学性能和耐磨性，并结合实验和模拟结果讨论了形成机制、界面结合特性和磨损机制。基于上述研究，可以得出以下结论。
CRediT作者贡献声明
张博晨：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，方法论，形式分析。钟立生：写作 – 审阅与编辑，监督指导，资金获取，概念构思。侯凯：项目管理，调查研究。胡开元：软件，数据整理。翟心伟：验证，资源。王凯：资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（编号：2024YFC3213300）、榆林市科技计划（项目编号：2023-CXY-205）和陕西省创新能力支撑计划（项目编号：2023GHJD-18）的支持。
张博晨|钟立生|侯凯|胡开元|翟心伟|王凯
