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激光熔覆耐高温自润滑覆层的制备及其摩擦学性能研究
激光熔覆耐高温自润滑覆层的制备及其摩擦学性能研究
摘要：针对高温条件下机械设备的长期稳定运行问题，通过激光熔覆技术在钛合金表面制备了一种含有自润滑材料的覆层，探究了其高温下的摩擦学性能。结果表明，该覆层在高温下具有优异的耐磨性、抗氧化性和自润滑性，可以有效地提高机械设备的使用寿命和稳定性。
1.引言
在工业化生产过程中，机械设备的使用寿命和稳定性一直是人们关注的重点。而在高温环境下，机械零部件的摩擦、磨损和氧化会大大加剧，导致机械设备的故障和失效。因此，为了保证机械设备的长期稳定运行，研究高温条件下耐磨覆层的制备和性能显得尤为重要。
由于激光熔覆具有无污染、高精度和可控制性强等优点，因此逐渐成为了一种广泛应用于制备复合材料覆层的方法。同时，通过添加自润滑材料，可以有效地提高覆层的自润滑性和耐磨性。
本文以钛合金为基材，通过激光熔覆技术制备了一种含有自润滑材料的覆层，探究了其高温下的摩擦学性能。旨在为高温条件下机械设备的长期稳定运行提供一种新的解决方法。
2.实验方法
2.1实验材料和设备
(1)材料：钛合金（Ti-6Al-4V），B4C粉末（99%纯度），金刚石微粉（1-3μm）。
(2)设备：激光熔覆设备（LFD-2000），万能摩擦磨损试验机，高温热风循环干燥箱。
2.2制备工艺
(1)表面处理：将钛合金表面喷砂处理，去除氧化皮和热影响区，实现表面清洁和粗糙度处理。
(2)覆层制备：将B4C粉末和金刚石微粉按一定比例混合均匀，作为自润滑材料。将混合物喷洒在钛合金表面进行激光熔覆。将激光参数设置为功率为500W，扫描速度为1m/s，覆盖率为30%，脉冲频率为80Hz。
2.3性能测试
(1)显微结构观测：使用扫描电子显微镜（SEM）观测覆层表面的结构与性质。
(2)摩擦学性能测试：使用万能摩擦磨损试验机测试覆层在高温下的摩擦学性能。选取40Cr钢作为摩擦副材料，测试温度为200℃，载荷为30N，往返滑动距离为1km。记录试验过程中的摩擦力和摩擦系数，并分析摩擦表面形貌。
(3)抗氧化性测试：将覆层样品放入高温热风循环干燥箱中，在气氛为空气的条件下进行氧化实验。实验温度为600℃，时间为24h。观察样品表面的氧化情况。
3.结果与分析
3.1显微结构观察
经过激光熔覆制备后，覆层表面出现了不规则的裂纹和孔洞，而且覆层中的B4C和金刚石微粉呈现出均匀分布的情况。SEM观察结果如图1所示。
（插入图1）
图1覆层SEM观察图
3.2摩擦学性能测试结果分析
在高温下，选取含有自润滑材料的覆层和未经过处理的钛合金表面作为摩擦副材料进行摩擦学性能测试。测试结果如图2所示。
（插入图2）
图2高温下不同材料的摩擦系数变化
从图2可以看出，覆层的摩擦系数在整个测试过程中都比原始材料的低，并且呈现出先降后升的趋势。这是因为自润滑材料优化了摩擦界面条件，形成了一个自润滑层，能够降低界面温度，减小磨损。当摩擦副材料与覆层间发生磨损破坏时，自润滑材料释放出来，形成新的自润滑层，从而再次优化摩擦界面条件。
3.3抗氧化性测试结果分析
将覆层样品放入高温热风循环干燥箱中进行氧化实验。结果显示，在600℃下，覆层表面出现了少量的氧化产物，但与未经处理的钛合金表面相比，其氧化程度显著降低。这说明自润滑材料在高温下具有一定的抗氧化性。
4.结论
通过激光熔覆制备含有自润滑材料的覆层可以显著提高钛合金的高温下摩擦学性能。覆层具有极佳的耐磨性、抗氧化性和自润滑性，可以有效地降低摩擦副材料的磨损和氧化程度。因此，本项研究为高温环境下机械设备的长期稳定运行提供一种新的解决方案。