NiCrBSi+Ni/MoS2涂层在空间环境下的摩擦学性能

孙荣禄，牛 伟，李 涛，姜海富，姜利祥,，郑慧奇

（1. 天津工业大学 机械工程学院；2. 天津市现代机电装备技术重点实验室：天津 300387；

3. 北京卫星环境工程研究所；4. 北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094）

NiCrBSi+Ni/MoS2涂层在空间环境下的摩擦学性能

孙荣禄1,2，牛 伟1，李 涛3，姜海富3，姜利祥3,4，郑慧奇3

（1. 天津工业大学 机械工程学院；2. 天津市现代机电装备技术重点实验室：天津 300387；

3. 北京卫星环境工程研究所；4. 北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094）

采用激光熔覆技术在TC4合金基体上制备了NiCrBSi+Ni/MoS2复合涂层，考察了该复合涂层在真空、原子氧辐照环境下的表面形貌及元素变化。利用真空摩擦磨损试验机分别完成了干摩擦条件下2种环境的摩擦磨损性能测试。结果表明：NiCrBSi+Ni/MoS2复合涂层经过原子氧辐照后，有部分元素被氧化及化合物分解的现象，但并没有发生明显的材料性能改变以及润滑涂层的破坏。与TC4合金相比，2种环境下该复合涂层均具有良好的润滑减摩效果，证明NiCrBSi+Ni/MoS2复合涂层具有一定的抗原子氧辐照的能力。

激光熔覆；钛合金；原子氧辐照；摩擦学性能

0 引言

钛合金具有高的比强度和优异的抗腐蚀性能，是航空航天等领域十分重要的结构材料。但是钛合金存在摩擦系数大，耐磨性能差的缺点，在很大程度上限制了它的应用范围。激光熔覆是改善钛合金摩擦磨损性能的有效手段之一。与其他表面改性技术相比，激光熔覆具有许多优点：激光熔覆层与基材之间为冶金结合，结合力较强；冷却速度快，熔覆层组织细小等[1]。目前，国内外钛合金激光熔覆的研究工作主要集中在 TiC[2]、WC[3]、Cr3C2[4]、TiB2[5]、SiC[6]等陶瓷相增强的金属基耐磨复合涂层方面。通过添加固体润滑剂（如MoS2[7]、WS2[8]、h-BN[9]、CaF2[10]、TiSiC[11]等），制备金属基自润滑耐磨复合涂层不仅具有较高的硬度和耐磨性能，而且具有优异的减摩性能，从而满足零部件在一些高温、重载、高速等恶劣环境下的工作要求。通过原位合成具有润滑效果的新生相可以有效解决固体润滑剂在激光熔覆过程中的分解和飞溅，防止造成自润滑效果降低的问题[12-13]。

近年来我国航天事业的快速发展为钛合金提供了广阔的应用前景，但空间环境的特殊性对材料的使用性能也提出了更高的要求，其中对摩擦磨损性能影响大的空间环境因素就是高真空和原子氧。例如，低地球轨道（LEO）是对地观测卫星、气象卫星、空间站等航天器的运行区域，其环境真空度为 10-8～10-5Pa，大气成分主要有 N2、O2、Ar、He、H及O等，其中原子氧含量约占80%。因此，开展真空和原子氧环境下涂层摩擦磨损性能的研究，对保证航天器运动部件工作的可靠性具有重要意义。国内外相关研究人员考察了某些涂层在空间环境中的润滑性能[14-16]，结果表明：大部分有机涂层在原子氧及紫外线环境中均受到严重的侵蚀及降解，进而失去润滑性能；某些金属及金属氧化物、硫化物的固体润滑涂层在空间环境中具有良好的自润滑性能。

本文利用激光熔覆技术在 TC4基材上制备了NiCrBSi+Ni/MoS2复合涂层（简称熔覆涂层），考察熔覆复合涂层在真空、原子氧辐照环境下的表面形貌以及摩擦学性能的变化，旨在为钛合金表面激光熔覆自润滑涂层及其在空间飞行器运动部件上的应用提供参考。

1 试验材料与方法

基材采用 TC4合金，其化学成分为（wt.%，下同）6.01Al、3.8V，其余为 Ti，试样尺寸为50 mm×20 mm×20 mm，待熔覆表面磨削加工至粗糙度Ra= 0.2 µm，预置粉末前用金相砂纸打磨以去除氧化膜。熔覆材料采用NiCrBSi（天津铸金科技开发股份有限公司生产，牌号为 Ni60）自熔性合金粉末和Ni包MoS2（由成都核八五七新材料公司生产）的混合粉末，NiCrBSi与Ni/MoS2的质量配比为2∶1 ，其中NiCrBSi化学成分为17.0Cr、3.5B、4.0Si、1.0C以及＜12Fe，其余为Ni，粒度为-140～+320目；Ni/MoS2粉末中Ni与MoS2的质量比为3∶1，粒度为-200目。采用卧式行星混料机混粉8 h。将混合均匀的涂层材料用有机黏结剂（羟甲基纤维素和适量的水）调成糊状，预置在 TC4基材的待熔覆表面，预置层厚度为 1.0 mm，然后放入真空箱中干燥。

激光熔覆试验采用TJ-HL-T5000 CWCO2激光器，试验参数为：激光功率P= 2.5 kW，扫描速度v= 6 mm/s，光斑直径D= 4 mm，搭接率为40%。激光熔覆过程中采用氩气保护以防止熔池氧化，氩气流量为20 L/min。

利用 Olympus-GX51光学显微镜和QUANTA200型扫描电子显微镜观察和分析涂层组织，利用能谱仪（EDS）分析涂层各物相的元素组成及变化。使用D8型X射线衍射分析仪分析涂层物相组成，主要参数：采用Cu靶材，加速电压为40 kV，电流为40 mA，扫描速度为20 (°)/min。

原子氧辐照试验在北京卫星环境工程研究所原子氧地面模拟实验装置上进行。原子氧辐照时间 5 h，原子氧束流密度 1.0×1016/(cm2·s)。采用SEM观察原子氧辐照试样的表面形貌，并对表面成分进行分析。采用销-盘摩擦磨损试验机完成涂层干摩擦条件下真空、原子氧辐照后的摩擦磨损性能测试。上试样为淬火的 GCr15钢，硬度为65HRC；下试样为有熔覆涂层的钛合金试样，尺寸为φ9 mm×20 mm。试验条件：载荷F= 49 N，滑动速度0.75 m/s，滑动距离550 m。用感量为10-5g 的分析天平测量试样磨损前后的质量，并计算磨损体积。

2 结果与分析

2.1 熔覆涂层的微观组织

图1为熔覆涂层的X射线衍射结果。对衍射峰标定表明，熔覆层主要由γ-Ni、TiC、CrB和CrxSy等物相组成。涂层中出现新的硫化物 CrxSy，说明Ni包MoS2在激光熔覆过程中发生分解，分解出来的S与Cr元素生成了不定比化合物CrxSy。此外，涂层中C、B元素与Ti、Cr生成TiC和CrB等硬质相，有利于提高涂层的硬度。

图1 熔覆涂层的XRD图谱Fig. 1 XRD analysis results of the cladding coating

熔覆涂层主要由近球状颗粒、块状颗粒、胞状晶和共晶等物相组成，如图 2所示，各物相 EDS成分分析如表1所示。SEM/EDS分析近球状颗粒的主要成分为S和Cr，并含有一定量的Mo；块状颗粒的主要成分为Cr，并含有大量的B和C元素，表明其为Cr的C、B化合物；胞状晶的主要成分为Ni，并含有少量的Cr、Fe、Si和Ti元素。结合XRD分析结果，近球状颗粒主要为S和Cr元素形成的不定比化合物（CrxSy），胞状晶为γ-Ni固溶体。

图2 熔覆涂层的显微组织Fig. 2 Microstructure image of the cladding coating

表1 熔覆涂层各物相的EDS化学成分分析结果（wt.%）Table 1 Element content of the components of the cladding coating by EDS (wt. %)

图3、图4和表2为原子氧辐照5 h后的熔覆涂层表面 CrxSy颗粒和熔覆层基体金属的 SEM/EDS分析结果。可见，原子氧辐照之后涂层形貌相对平整致密，未发生明显的裂纹等损坏，CrxSy颗粒（图3中“+”处）和熔覆层基体金属中均含有一定量的氧元素，特别是CrxSy颗粒中含氧量高达11.83wt.%，而 S元素的含量相对减少，这说明部分硫化物发生了氧化。

图3 原子氧辐照5 h后CrxSy颗粒能谱Fig. 3 Spectrum pattern of CrxSy particle after 5 h atomic oxygen irradiation

图4 原子氧辐照5 h后基体EDS能谱Fig. 4 Spectrum pattern of matrix after 5 h atomic oxygen irradiation

表2 EDS能谱分析结果（wt.%）Table 2 Spectrum analysis by EDS (wt. %)

2.2 熔覆涂层的摩擦磨损性能

图5和图6分别为TC4合金、NiCrBSi涂层和熔覆涂层在真空环境中的摩擦系数曲线和磨损体积对比。可见：熔覆涂层的摩擦系数（0.25～0.35）明显低于NiCrBSi涂层的（0.3～0.5）和TC4合金的（0.5～0.8）；熔覆涂层的磨损体积分别为NiCrBSi涂层和TC4合金的35.4%和14.5%。

图5 TC4合金、NiCrBSi和熔覆涂层的摩擦系数曲线Fig. 5 Friction coefficient of TC4 alloy, NiCrBSi and the cladding coatings

图6 TC4合金、NiCrBSi涂层和熔覆涂层的磨损体积对比Fig. 6 Wear volume of TC4 alloy, NiCrBSi and the cladding coatings

综上所述，熔覆涂层明显提高了 TC4合金的耐磨性，降低了其摩擦系数。主要原因：一方面是弥散分布的硬质相使基体的晶粒细化，提高了基体的韧性，增强了基体的抗塑性变形能力，因而提高了耐磨性；另一方面是熔覆涂层中的CrB、TiC等硬质相具有很高的硬度，减少了对磨偶件硬质相磨粒对涂层的嵌入和切削作用，在摩擦过程中起到支撑作用；强、韧两相结合使涂层具有较高的抗塑性变形、抗黏着和磨粒磨损的能力，使得涂层的耐磨性提高了。再者，涂层中的硫化物润滑相CrxSy在摩擦过程中形成润滑膜，减少了涂层与对磨偶件的直接接触，从而使涂层具有较低的摩擦系数。

图 7为原子氧辐照后熔覆涂层在真空环境中的摩擦系数曲线。可见，原子氧辐照后熔覆层的摩擦系数在0.30～0.40之间，略高于原子氧辐照前的摩擦系数（0.25～0.35）。原子氧辐照对熔覆层摩擦系数的影响具有双重作用，一方面使熔覆层基体金属氧化，这减少了摩擦副间的黏着，使摩擦系数降低；另一方面使CrxSy颗粒发生氧化，部分硫化物被氧化生成了氧化物，而氧化物的润滑性能相对CrxSy较差，这将导致熔覆层摩擦系数的增大。在这两方面因素综合作用下，熔覆层的摩擦系数有所提高。图 8为原子氧辐照前后熔覆层磨损体积比较。可见，原子氧辐照后熔覆层的磨损体积为0.26 mm3，较原子氧辐照前增加了18.2%。

图7 原子氧辐照前后熔覆涂层摩擦系数曲线Fig. 7 Friction coefficient of the cladding coatings before and after atomic oxygen irradiation

图8 原子氧辐照前后熔覆涂层磨损体积比较Fig. 8 Wear volume of the cladding coatings before and after atomic oxygen irradiation

3 结论

1）利用激光熔覆技术在TC4合金表面制备了NiCrBSi+Ni/MoS2涂层，涂层主要由近球状CrxSy、块粒CrB和γ-Ni固溶体组成。

2）熔覆涂层经原子氧辐照5 h后，涂层中出现明显的氧化现象，但未发现裂纹等损坏。S元素含量有所降低，但仍有CrxSy在摩擦副间起到润滑作用。

3）熔覆涂层的真空摩擦系数为0.25～0.35，原子氧辐照5 h后真空摩擦系数为0.30～0.40。表明该涂层在2种环境下均具有良好的抗磨减摩效果。

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Effects of space environment on tribological properties of NiCrBSi+Ni/MoS2coatings

SUN Ronglu1,2, NIU Wei1, LI Tao3,4, JIANG Haifu3,4, JIANG Lixiang3,4, ZHENG Huiqi3,4
(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University;2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology: Tianjin 300387, China;3. Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering; 4. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)

The NiCrBSi+Ni/MoS2composite coatings are prepared on the TC4 substrate by laser cladding technique. The surface morphology and the elemental composition of the composite coatings in the vacuum and after atomic oxygen irradiation are investigated. The friction and wear properties in two kinds of environments are determined by using the vacuum friction and wear tester. It is shown that after the atomic oxygen irradiation,some elements and compounds in the NiCrBSi+Ni/MoS2composite coatings are decomposed and oxidized, but exhibit no distinct change of the material properties or lubricant coating damage are found. Compared with TC4,the composite coating exhibits good lubrication and friction reduction in both kinds of environments. The results show that the NiCrBSi+Ni/MoS2composite coating has adequate ability to resist the atomic oxygen irradiation.

laser cladding; titanium alloy; atomic oxygen irradiation; tribological properties

TG456.7

A

1673-1379(2017)05-0533-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.014

2017-05-09；

2017-09-12

国家自然科学基金项目（编号：51371125）

孙荣禄, 牛伟, 李涛, 等. NiCrBSi+Ni/MoS2涂层在空间环境下的摩擦学性能[J]. 航天器环境工程, 2017, 34(5):533-537

SUN R L, NIU W, LI T, et al. Effects of space environment on tribological properties of NiCrBSi+Ni/MoS2 coatings[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 533-537

（编辑：肖福根）

孙荣禄（1964—），男，教授，博士学位，主要从事激光材料加工技术方面的研究工作。E-mail: rlsun@tjpu.edu.cn。