钛合金的耐磨性能指南-涂层

钛合金因其优异的强度重量比、耐腐蚀性及生物相容性，在航空航天、汽车、生物医学等领域具有广泛应用前景1234。然而，钛合金本身的耐磨性较差，容易在摩擦过程中发生磨损和擦伤，这限制了其在某些特定工况下的应用56。为了解决这一问题，研究人员开发了多种表面涂层技术以提升钛合金的耐磨性能。这些涂层主要包括氮化物陶瓷涂层、碳基涂层、氧化物陶瓷涂层、金属-陶瓷复合涂层以及通过表面改性形成的功能层。

1. 氮化物陶瓷涂层

氮化物陶瓷涂层因其高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性，被广泛应用于提升钛合金的耐磨性。其中，氮化钛（TiN）和氮化铬（CrN）是最chang见的氮化物涂层。

• 氮化钛（TiN）涂层：TiN涂层具有极gao的硬度，这主要得益于其岩盐晶体结构及其间隙化合物的特性，能够有效钉扎位错，抵抗形变。它常通过物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）方法制备。研究表明，TiN涂层能显著提高钛合金的耐磨性。例如，在热作模具钢上沉积的TiN涂层表现出优异的耐磨性7。在钛合金（TC4）基底上，TiN涂层能够将滑动磨损率降低至未涂层基底的约1/1008。TiN涂层还表现出更高的抗塑性变形能力，其H/E比（0.042）和H³/E²比（0.039）均高于CrN涂层8。此外，通过粉末烧结在Ti-6Al-4V基底上制备的TiN颗粒增强表面复合层，显著提升了材料的硬度和耐磨性9。在蠕变测试中，TiN涂层也能有效提升Ti-6Al-4V合金的抗蠕变性能10。

• 氮化铬（CrN）涂层：CrN涂层也因其高硬度和良好的韧性而常用于钛合金的表面改性。与TiN类似，CrN涂层也能显著提升钛合金的耐磨性8。例如，在TC4钛合金上沉积的CrN涂层，可将滑动磨损率降低至未涂层基底的约1/1008。然而，CrN涂层在抗塑性变形方面的表现略低于TiN涂层8。

• 多层及复合氮化物涂层：为了进一步优化性能，研究人员还开发了多层或复合氮化物涂层。

• TiAlN涂层：TiAlN涂层在提升钛合金的机械性能和高温抗氧化性方面表现出色11。通过电弧喷涂结合气体渗氮方法在Ti-6Al-4V合金上形成的TiAlN涂层，可使表面硬度显著提高至12-15 GPa，并有效提升在与Al₂O₃球摩擦时的耐磨性12。在600℃下的蠕变测试中，TiAlN/TiAlCrN涂层在特定应力下也表现出良好的抗蠕变性能10。

• CrN/TiN多层涂层：在TC4钛合金表面制备的纳米CrN/TiN多层涂层，具有均匀、致密的表面形貌，并且随着调制周期的减小，涂层结构会发生优化，从（220）晶面优先生长转变为更致密的结构，进一步提升了性能13。在不锈钢基底上，CrN/TiN和TiN/CrN纳米结构多层涂层均表现出良好的耐腐蚀和摩擦学性能14。

• AlCrN、AlTiN、TiAlN、TiCN等PVD涂层：这些涂层沉积在硬质合金WC-Co木材铣刀上时，在铣削橡木的工业应用实验中表现出优异的耐磨性15。其中，AlCrN涂层表现出最di的磨损量，而CrN涂层则表现出最gao的摩擦系数15。

涂层厚度、硬度和摩擦系数图Source: 15

上图展示了不同PVD涂层的厚度、硬度和摩擦系数。可以看出，AlCrN涂层具有较高的硬度（约33.6 GPa）和相对较低的摩擦系数（约0.45），这与其优异的耐磨性相关15。

2. 碳基涂层

碳基涂层，特别是类金刚石碳（DLC）涂层，因其极低的摩擦系数、高硬度和优异的抗磨粒磨损性能而备受关注。

• DLC涂层：DLC涂层能够形成一个完mei光滑、化学惰性且物理坚韧的屏障，有效防止金属离子泄漏并抑制蛋白质吸附或免疫细胞活化，这对于生物医学植入物至关重要。在钛合金基底上沉积DLC涂层，能够显著提升其耐磨性和耐腐蚀性16。为了增强DLC涂层与钛合金基底的附着力，可以通过铬离子预蚀刻形成富铬扩散层，再沉积Si-DLC层和纯DLC层16。四面体非晶氮化碳（ta-CNx）作为一种新型DLC材料，比非晶氮化碳（a-CNx）具有更好的机械性能和耐久性，并且克服了四面体非晶碳（ta-C）高内应力的限制，使其在摩擦学和机械应用中具有巨大的研究价值17。

• Cr-Al-Si-N/DLC-Si复合涂层：在具有不同表面形貌的钛合金（Ti-Al-Zr-Sn-Nb体系）上沉积Cr-Al-Si-N/DLC-Si薄涂层，能够显著提高其在磨损和微动磨损条件下的耐磨性18。这些涂层的马氏体硬度（H）和弹性模量（E）通过纳米压痕技术测定，H/E比值为0.12，而无涂层的合金仅为0.0318。

3. 氧化物陶瓷涂层

氧化物陶瓷涂层通常通过等离子喷涂或微弧氧化（MAO）等方法获得，兼具绝缘性与耐磨性。

• Al₂O₃涂层：氧化铝（Al₂O₃）因其高硬度和耐磨性而广泛用于涂层。例如，在TC18钛合金上通过空气喷涂制备的环氧树脂/Al₂O₃涂层，通过添加纳米Al₂O₃颗粒提高了环氧树脂涂层的硬度，从而改善了干滑动磨损条件下的耐磨性19。在生物医用领域，Al₂O₃-羟基磷灰石复合涂层通过高速氧燃料（HVOF）热喷涂工艺沉积在钛基底上，以提高其耐磨性和生物相容性20。

• 微弧氧化（MAO）涂层：MAO技术可以在钛合金表面形成多孔氧化钛/氧化铝复合膜，这种涂层在生物医用钛合金（如Ti-6Al-4V）中兼具耐磨性与生物相容性。通过热浸镀铝和微弧氧化技术在纯钛表面制备的复合涂层，其微观结构和耐磨性得到了显著改善2122。

4. 金属-陶瓷复合涂层

金属-陶瓷复合涂层结合了韧性金属粘结相与硬质陶瓷相的优点，以改善抗剥落和抗冲击磨损性能。

• Ni-基复合涂层：在Ti6Al4V钛合金上通过激光熔覆制备的Ni-基复合涂层，其中预置B₄C和NiCoCrAlY粉末，可以在原位反应生成TiB₂和TiC等强化相，显著提高耐磨性23。激光熔覆NiCoCrAlY涂层也能有效提升Ti-6Al-4V的耐磨性，形成均匀的奥氏体结构24。

• 碳化钨（WC）基复合涂层：通过HVOF技术在钛基底上制备的WC-Co涂层，在高温环境下表现出优异的耐磨性25。激光熔覆WC10Co4Cr–xTi₂AlC复合涂层能显著提升在500℃下的摩擦学性能，其中Ti₂AlC作为增强相26。

• TiC/TiN复合涂层：通过粉芯焊丝惰性气体保护钨极焊（TIG）方法在氮气气氛下制备的Ti/TiC/TiN复合涂层，可显著提高钛基底的耐磨性27。通过激光合金化技术在TA15钛合金上制备的C-W元素合金涂层，形成了富含W元素的β-Ti基体和初生/共晶TiC/（TiW）C相，使显微硬度提高，耐磨性提高2-3倍28。

• Ti₃Al + TiB₂/TiN复合涂层：通过激光熔覆技术在Ti-6Al-4V合金上制备的Ti₃Al + TiB₂/TiN复合涂层，能够显著提高合金的耐磨性29。

5. 其他表面改性技术

除了上述涂层，还有其他表面改性方法可以提升钛合金的耐磨性。

• 扩散涂层：例如，N扩散涂层可以显著降低钛合金的磨损30。钼化处理和NiCrAlY涂层均能提高钛及Ti-6Al-4V合金的显微硬度和抗氧化性31。

• 激光表面合金化：将Ni60A、TiN、Al和Si等合金粉末通过激光合金化技术制备在Ti-6Al-4V合金表面，可形成TiN、TiB、Ti₅Si₃和Al₃Ti等复合涂层，显著提升耐磨性4。

• 物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等技术是制备这些先jin涂层的主要手段，它们能实现对薄膜微观结构的精确控制，从而优化材料性能。

总结

综上所述，多种涂层都能显著提升钛合金的耐磨性。氮化物陶瓷涂层（如TiN、CrN、TiAlN）和碳基涂层（如DLC）因其高硬度、低摩擦系数而成为主要的耐磨解决方案。氧化物陶瓷涂层（如Al₂O₃和MAO涂层）在特定应用中也表现出色。此外，金属-陶瓷复合涂层通过结合不同材料的优势，能够提供更全面的防护。在选择涂层时，需要综合考虑工况（如载荷、温度、润滑、腐蚀环境）、涂层与基体的热匹配性以及结合强度。例如，对于生物医学植入物，DLC涂层和MAO形成的氧化物复合膜不仅能提供耐磨性，还能确保生物相容性。不同涂层材料和制备工艺的选择取决于具体的应用需求和性能目标。