摘要
Ti6Al4V合金由于具有比强度高、耐高温、生物相容性好等特点，被广泛应用于航天航空、汽车等领域。然而，随着我国在航天航空、军工、石油化工等领域技术的发展，对Ti6Al4V合金硬度、耐磨性、耐蚀性等方面提出了更高的要求。因此，采用表面改性技术提高钛合金硬度和耐磨性等性能具有重要的实际意义。激光熔覆技术是一种高效、低成本的表面改性技术，在航天航空、石油化工及机械制造等领域有着广泛的应用前景。本文以Graphene(Gr)/Ti6Al4V复合粉末为研究对象，使用激光熔覆技术将其熔覆在钛合金表面，制备了金属/陶瓷复合涂层并采用第一性原理研究了复合材料内部第二相对钛基体的形核影响和异质相的界面结合强度。研究结果如下： (1)利用激光熔覆技术分别将Gr/Ti6Al4V复合粉末和Ti6Al4V合金粉末熔覆在Ti6Al4V合金表面，激光熔覆Gr/Ti6Al4V复合粉末过程中发生了原位反应：Ti﹢C→TiC，生成新相TiC。TiC呈羽毛状均匀弥散分布于α''针状马氏体中且α-Ti得到细化，起到了细化晶粒的作用。在复合涂层的顶部，TiC数量较少且分布不均匀。在复合涂层的中间，TiC均匀分布，TiC颗粒的数量显著增加。复合涂层底部与Ti6Al4V基体结合良好。同时，发现复合涂层中存在部分Gr，与Ti6Al4V基体结合良好。 (2)利用第一性原理研究了α-Ti(0001)/TiC(111)和α-Ti(1-100)/TiC(111)的界面稳定性，并进行了形核分析。结果表明，在α-Ti(0001)/TiC(111)、α-Ti(1-100)/TiC(111)两种界面模型的计算中发现，与Ti-termination界面相比，C-termination界面的界面粘附功更大，界面间距和界面能均较小，说明该界面模型更有利于界面结构的稳定，其中C-terminationhollow-sited界面具有最小的界面间距、最大的界面粘附功和最小的界面能，是最稳定的界面。通过电荷差分密度和分波态密度曲线分析可知，当TiC(111)表面的端面原子为C原子时，界面处的Ti原子和C原子之间形成较强的Ti-C共价键，电荷转移明显，更有利于加强界面处的稳定性。形核分析结果显示α-Ti(0001)/TiC(111)的C-terminationhollow-sited界面是最优的α-Ti/TiC界面结合方式。 (3)研究了Gr的添加对复合涂层硬度、摩擦磨损和电化学腐蚀性能的影响。复合涂层的显微硬度较Ti6Al4V基体大约提高了57%。相比Ti6Al4V基体，硬质颗粒TiC和石墨烯的自润滑性能提高了复合涂层的耐磨性，磨损机理由较严重的磨粒磨损和粘着磨损变为了伴有细微划痕的轻微磨损。在高温摩擦磨损下，涂层、基体还发生了严重的氧化磨损。同时，复合涂层自腐蚀电位较Ti6Al4V基体正移，腐蚀电流密度减小，复合涂层耐蚀性能得到提高，腐蚀形貌为局部点蚀，而Ti6Al4V基体的腐蚀形貌则为剥蚀。 (4)获得了不同载荷以及不同滑动速度对激光熔覆原位合成TiC/Gr/Ti6Al4V复合涂层摩擦学行为的影响规律。结果表明，在一定载荷下，随着滑动速度的增加，磨损率和摩擦系数减小。当滑动速度为0.4m/s时，磨损机制为磨粒磨损和轻微氧化磨损。当滑动速度为1.0m/s，磨损机制转变为轻微分层磨损和严重氧化磨损。在一定滑动速度下，TiC/Gr/Ti6Al4V复合涂层的磨损率随着载荷的增大而增大，而摩擦系数却相反。随着载荷的增加，磨损机制由轻微磨粒磨损和氧化磨损转变为分层磨损、疲劳磨损和氧化磨损。石墨烯和原位合成TiC陶瓷颗粒可有效改善TiC/Gr/Ti6Al4V复合涂层的摩擦磨损性能。
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