钛合金表面等离子喷涂Al2O3-40%TiO2_陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能

第52卷 第12期

2023年12月

表面技术

SURFACE TECHNOLOGY

·351·

钛合金表面等离子喷涂Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷

涂层的高温摩擦磨损性能

周志强，郝娇山

*

，宋文文，孙德恩，李黎，蒋永兵，张健

1112111

（1.重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400707；2.西南大学 材料与能源学院，重庆 400715）

摘要：

目的 研究温度对钛合金表面Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层摩擦磨损性能的影响，探讨涂层在高温下

的摩擦磨损机理。方法 采用大气等离子喷涂技术（APS）在TC4钛合金表面制备Al

2

O

3

-40%TiO

（

2

AT40）

陶瓷涂层。采用扫描电子显微镜（SEM）和能量分散谱仪（EDS），对AT40陶瓷涂层中的微观形貌和

物相进行定性分析。借助维氏显微硬度计，研究 AT40陶瓷涂层在常温下的截面显微硬度分布规律，

以及高温下的显微硬度。采用多功能摩擦磨损试验机，测试AT40陶瓷涂层在200、350、500 ℃下的

摩擦磨损性能，并进行原位在线自动3D形貌表征。结果 AT40陶瓷涂层呈典型的热喷涂层状结构，各

相分布均匀，涂层结构致密，平均显微硬度相较于TC4钛合金基材提高了81%。AT40陶瓷涂层在200、

350、500 ℃下的高温硬度分别为513HV0.3、463HV0.3、448HV0.3。在200、350 ℃时，AT40陶瓷涂

层的平均摩擦系数分别为0.18±0.02和0.38±0.03，磨损率分别为(7.8±0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m)和

(37.2±0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m)，涂层具有优异的抗高温摩擦磨损性能。500 ℃时，涂层的平均摩擦系数

和磨损率分别为0.77±0.02和(134.4±0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m)，磨痕深度和磨损体积大幅增加，耐磨性能

降低。结论 AT40陶瓷涂层在200 ℃和350 ℃的磨损机制主要为微区脆性断裂，在500 ℃时的磨损机

制表现为裂纹扩展引起的分层剥落和轻微磨料磨损。

关键词：

钛合金表面；等离子喷涂；Al

2

O

3

-40%TiO

2

涂层；高温摩擦磨损

中图分类号：

TH117

文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)12-0351-09

DOI：10.16490/.1001-3660.2023.12.029

High Temperature Tribological and Wear Properties of Plasma Sprayed

Al

2

O

3

-40%TiO

2

Ceramic Coating on Titanium Alloy

ZHOU Zhi-qiang

1

, HAO Jiao-shan

1*

, SONG Wen-wen

1

, SUN De-en

2

,

LI Li

1

, JIANG Yong-bing

1

, ZHANG Jian

1

(1. Chongqing Chuanyi Control Valve Co., Ltd., Chongqing 400707, China;

2. School of Materials and Energy, Southwest University, Chongqing 400715, China)

ABSTRACT: Atmospheric plasma spraying (APS) is an advanced surface modification technology, which can improve surface

收稿日期：2022-10-17；修订日期：2023-05-17

Received：2022-10-17；Revised：2023-05-17

基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFB2004100）

Fund：National Key R&D Program (2018YFB2004100)

引文格式：周志强, 郝娇山, 宋文文, 等. 钛合金表面等离子喷涂Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能[J]. 表面技术, 2023,

52(12): 351-359.

ZHOU Zhi-qiang, HAO Jiao-shan, SONG Wen-wen, et al. High Temperature Tribological and Wear Properties of Plasma Sprayed Al

2

O

3

-

40%TiO

2

Ceramic Coating on Titanium Alloy[J]. Surface Technology, 2023, 52(12): 351-359.

*通信作者（Corresponding author）

·352· 表 面 技 术 2023年12月

properties of titanium alloy without changing the substrate material, such as wear resistance, corrosion resistance, oxidation

resistance and other properties. Many researchers have studied the abrasion resistance and corrosion resistance of

Al

2

O

3

-13%TiO

2

coating prepared by APS on titanium alloy at room temperature. However, temperature has an important effect

on the performance of oxide ceramic coatings and related researches are rarely reported. The work aims to study the effect of

temperature on the friction and wear properties of Al

2

O

3

-40%TiO

2

(AT40) ceramic coating and explore the friction and wear

mechanism of the coating at high temperature.

Commercially available HasC-276(NiMo16Cr15Fe6W4, wt.%) powders and Al

2

O

3

-40%TiO

2

(wt.%) with a nominal

particle size distribution of –45-+15 μm and –35-+5 μm were prepared as spray powder, respectively. Plain TC4 (Ti-6Al-4V, wt.%)

titanium alloy plates (30 mm×15 mm×8 mm) were used as substrate materials. Prior to APS spraying, the substrates were sand

blasted with corundum grit (50~70 mesh) in order to improve the bonding strength between coating and substrate. The coatings

were deposited by atmospheric spraying equipment (PRAXAIR 3710M, America) manipulated with a robot (ABB, Sweden).

The plasma deposition process was carried out with optimal process parameters. The HasC-276 layer acted as bonder

coating in order to reduce the difference in mechanical properties between TC4 substrate and ceramic coating, which reduced the

crack sensitivity and improved the adhesion. The spray thickness of HasC-276 layer and AT40 coating was about 100 µm and

250-300 µm, respectively.

AT40 coating samples were cut with wire cutting and the cross section and surface were polished to a smooth surface with

Ra of (0.15±0.02) μm. The friction and wear properties of AT40 ceramic coating were tested on a multi-function friction wear

tester (MFT-5000, China) at 200 ℃, 350 ℃and 500 ℃ and as well as the in-situ online automatic 3D morphology

characterization. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) were used to qualitatively

analyze the micro morphology and phase of AT40 ceramic coating. The section micro-hardness distribution of AT40 ceramic

coating at room temperature and at high temperature was studied with the Vickers micro-hardness tester.

The results show that the AT40 ceramic coating presents a typical thermal spraying layered structure, with uniform

distribution of all phases and dense coating structure. The average micro-hardness is 81% higher than that of the TC4 titanium

alloy substrate. The high temperature hardness of AT40 ceramic coating at 200, 350 and 500 ℃ is 513, 463 and 448HV

0.3

respectively. At 200 ℃ and 350 ℃, the average friction coefficient of AT40 ceramic coating is 0.18±0.02 and 0.38±0.03

respectively, and the wear rate is (7.8±0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m) and (37.2±0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m) respectively and the coating

shows excellent high temperature friction and wear resistance. At 500 ℃, the average friction coefficient and wear rate of the

coating are 0.77±0.02 and (134.4±0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m) respectively, the wear scar depth and wear volume increase

significantly, and the wear resistance decreases.

A few small holes and micro-cracks are observed on the surface morphology of AT40 as-sprayed coating, which acts as

initial-cracking. During the high temperature wear process, the surface of AT40 coating under the action of friction and

compressive stress will generate high local stress, which will cause these initial micro-crack to grow and expand along the oxide

structure boundary and the holes of the coating and generate longitudinal through cracks, forming micro brittle fracture. The

wear mechanism of AT40 ceramic coating is mainly micro brittle fracture at 200 ℃ and 350 ℃.

Moreover, with the temperature increasing to 500 ℃, the thermal stress inside the coating is the major factor that promotes

the crack propagation. It causes the coating to delaminate and peel off, forming peeling pits and wear debris. These peeled

particles remain on the surface of the sample and will be crushed to fine debris. These pulled out debris will act as abrasive

particles leading to the three-body abrasive wear. Many wear grooves, micro-cracking, wear debris and pores are obviously

observed on the worn surface of the AT40 coating at 500 ℃ indicating that delamination and peeling caused by crack

propagation and slight abrasive wear are the main wear mechanism.

KEY WORDS: titanium alloy surface; plasma spraying; Al

2

O

3

-40%TiO

2

coating; high temperature friction and wear

钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能优异

及耐疲劳性能好等优点，广泛应用于航空航天、石油

化工等领域

[1]

。但钛合金硬度较低、耐磨性能较差、

高温易氧化，在使用过程中表面易发生磨损，限制了

钛合金在各领域的进一步应用。在工程应用中，改善

钛合金表面耐磨性能的主要手段是利用表面硬化技

第52卷 第12期 周志强，等：钛合金表面等离子喷涂Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能 ·353·

术对钛合金表面进行强化与防护，通过等离子喷涂、

激光熔覆等技术手段在其表面制备一层耐磨涂层，以

改善钛合金性能，延长使役寿命，并降低成本

[2-4]

。

其中，大气等离子喷涂技术具有成本低、效率高、涂

层致密且结合强度高等优点，广泛应用于高熔点陶瓷

Al

2

O

3

-TiO

2

陶瓷涂层作为应用较广泛

涂层的制备

[5-6]

。

的传统耐磨涂层，具有优异的强韧比、抗冲蚀能、抗

热震性能，在不锈钢基体、铝合金、镁合金基体表面

的室温、高温摩擦磨损机理和性能等方面受到广泛关

可以明显改善合金的耐磨性

[11-12]

。何龙等

[13]

注

[2,7-10]

，

研究表明，纳米Al

2

O

3

-40%TiO

2

涂层比微米Al

2

O

3

-

40%TiO

2

涂层的微观结构更致密。田博等

[14]

研究发

现，随Al

2

O

3

-TiO

2

涂层中TiO

2

含量的增加，涂层孔

隙率减少，结合强度增大。易德亮等

[15]

提出当TiO

2

含量的增加时，涂层的磨损率先降低、后增加。然而，

关于大气等离子喷涂Al

2

O

3

-TiO

2

涂层应用于钛合金

表面的研究较少。李新芽等

[16]

研究发现，在钛合金表

面等离子喷涂纳米Al

2

O

3

-13%TiO

2

陶瓷涂层的耐磨性

能和高温抗氧化性能均优于微米Al

2

O

3

-13%TiO

2

陶瓷

涂层，与Tian等

[17]

的结论相同。Richard等

[18]

研究表

明，在钛合金表面等离子喷涂Al

2

O

3

-13% TiO

2

陶瓷涂

层，可有效改善钛合金的耐磨性能。关于在钛合金表

面制备Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层在高温下的摩擦磨损

性能的研究罕有报道。

本文采用大气等离子喷涂的方法在钛合金表面

制备了Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层，研究其微观结构及

200、350、500 ℃下的高温摩擦磨损性能，为钛合金

表面喷涂Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层的高温摩擦磨损性

能研究提供试验依据和理论支撑。

3 h。首先对基体进行除油、清洗和喷砂等预处理，

喷砂材料为棕刚玉，粒径为0.5~1.0 mm，喷砂压强为

0.5 MPa，粗化TC4钛合金基材表面，以增加涂层与

TC4基体的结合强度，同时去除基体表面油污和氧化

膜。本研究中所采用的大气等离子喷涂工艺参数见表

4。HasC-276过渡涂层及AT40陶瓷涂层喷涂厚度分

别为100 μm和250 μm。

表1 TC4化学成分

Tab.1 Chemical composition of 316L stainless steel

wt./%

Elements Al V C Fe Ti

Content 6.21 4.13 0.03 0.04 Bal.

表2 Al

2

O

3

-40% TiO2粉末化学成分

Tab.2 Chemical composition of Al

2

O

3

-40% TiO

2

powder

wt./%

Oxides Al

2

O

3

TiO

2

Content 60 40

表3 Has C-276粉末化学成分

Tab.3 Chemical composition of Has C-276 powder

wt./%

ElementsFe Cr Mo W Co Ni

16.2216.02 4.15 t 5.01

采用Navo NanoSEM 450场发射扫描电子显微镜

观察涂层微观形貌，结合Quantax-200 EDX能谱扫描

进行涂层成分分析。采用Axio Observer 3 m科研级

金相显微镜观察涂层截面的显微组织，并通过Image

Pro Plus软件计算3个不同视场的孔隙率，取其平均

值。采用INNOVATEST FALCON 500维氏硬度测量

仪检测涂层的显微硬度，载荷为300 g，加载时间为

15 s，不同层厚位置取3个硬度值。利用高温维氏硬

度计（HVZHT-30）检测涂层在高温下的显微硬度，

载荷为500 g，加载时间10 s，每个温度下取3个硬

度值。

由于等离子喷涂形成的涂层表面粗糙，采用线切

割工艺制备涂层截面试样，经过热镶嵌、粗磨、精磨、

抛光和清洗，使得涂层表面粗糙度达到Ra<0.2 μm。

使用MFT-5000多功能摩擦磨损试验机测试Al

2

O

3

-

并进行

40% TiO

2

陶瓷涂层在高温下的摩擦磨损性能，

原位在线自动3D形貌表征。摩擦副为9.5 mm氮化

硅磨球，载荷为20 N，干摩擦往复运动，频率为2 Hz，

1 试验

采用美国PRAXAIR 3710M等离子喷涂系统制

备HasC-276过渡涂层及Al

2

O

3

-40% TiO

2

（AT40）陶

瓷涂层，喷枪型号为SG100型，送粉器型号为1264

型，HF-2210型等离子喷涂专用电源。涂层基体材料

为TC4钛合金，成分见表1，尺寸规格为30 mm×15 mm×

8 mm。喷涂材料为Al

2

O

3

-40% TiO

2

粉末和Has C-276

粉末，粒径范围处于(–35+5) μm，成分见表2和表3。

喷涂过渡层是为了减小 TC4 基体与陶瓷涂层之间

的物化性质和力学性能的差异，降低热应力和裂纹敏

感性，提高基体与陶瓷涂层之间的结合强度。喷涂前，

将涂层粉末置于真空干燥箱中，保持80 ℃干燥处理

表4 APS喷涂工艺参数

Tab.4 Process parameters of APS

Coating

Has C-276

E/V

60

I/A

650

Argon

flow/(L·min

–1

)

55

Hydrogen

flow/(L·min

–1

)

6

Spraying

distance/mm

120

Powder feed rate/

(g·min

–1

)

130

130 AT40 60 680 55 6 100

·354· 表 面 技 术 2023年12月

行程为5 mm，试验温度分别为200、350、500 ℃，

磨损测试时间30 min，实时记录加载力及摩擦系数，

并对磨痕进行实时高速拍照，高温摩擦磨损试验过程

如图1所示。试验结束后，采用Navo NanoSEM 450

场发射扫描电子显微镜观察磨痕截面形貌。

图1 高温摩擦磨损试验过程

Fig.1 Schematic diagram of friction and wear test

process at high temperature

2 结果与分析

2.1 微观形貌

AT40涂层喷涂态表面形貌及选区放大图如图2

所示。可以看出，涂层表面凹凸不平，呈现片层状堆

叠的状态，不均匀地分布着少量孔洞以及半熔颗粒，

还有在喷涂过程中熔滴发生溅射分裂形成的小颗粒。

该涂层主要由大量熔融区和少量半熔或未熔颗粒构

成。在大气等离子喷涂过程中，熔融液滴在未完全熔

化的颗粒及已沉积的涂层上重叠、沉积、铺展，在涂

层的表面铺展呈现出凹凸不平的浪花状。微裂纹的形

成主要是由于高温熔滴瞬时冷却凝固产生的拉（收

缩）应力、熔滴高速撞击已凝固涂层表面产生的撞击

力以及涂层形成过程中形成的热应力无法释放

[19]

。

AT40涂层截面研磨抛光后的截面形貌如图3所

示。可以看出，从表到里由镶嵌料层、Al

2

O

3

-40%TiO

2

涂层、Has C-276过渡层以及基体组成，Al

2

O

3

-

过渡层厚度

40%TiO

2

陶瓷涂层厚度为0.16~0.20 mm，

为0.08~0.12 mm。涂层与过渡层厚度均匀、结构致密，

陶瓷涂层与过渡层之间、过渡层与基体之间凹凸不平

的表面相互嵌合，形成机械钉扎效应

[20]

，提高了界面

之间的结合强度。在等离子喷涂过程中，熔滴中因溶

解焰流周围空气，形成了细小的孔隙，而未充分熔化

的粉末颗粒、熔滴飞溅及层间叠加的不完全重叠则在

在

过渡层与基体之间的界面上形成了较大的孔隙

[21]

。

过渡层内部也存在一些孔洞和微裂纹，没有明显的未

熔化颗粒。粉末在高温等离子焰中受热熔化，并高速

撞向基体的过程中，大部分粉末粒子被加热到了熔融

状态，熔滴在撞击基体时，发生了充分了扁平化，并

逐层堆垛起来。涂层各相均匀分布，为热喷涂涂层经

典的长条状层状堆积结构，由浅色相区域和深色相区

域构成。

图2 AT40陶瓷涂层的表面形貌

Fig.2 Surface morphology of AT40 ceramic coating

图3 AT40陶瓷涂层截面形貌（a）和高倍图（b）

Fig.3 Section morphology (a) and magnification diagram (b) of AT40 ceramic coating

第52卷 第12期 周志强，等：钛合金表面等离子喷涂Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能 ·355·

图3b中涂层截面组织的EDS能谱如图4所示。

可以看出，涂层浅色区域内的Ti含量和O含量较高，

部分深色区域的Al、O和Ti含量较高，部分深色区

域的Al、O含量较高，而Ti含量少。根据Yang等

[2]

学者的研究文献，等离子喷涂Al

2

O

3

-40%TiO

2

涂层的

相主要是Al

2

TiO

5

相，还含有少量α-Al

2

O

3

、γ-Al

2

O

3

、

Rutile-TiO

2

、Brookite-TiO

2

。Al

2

O

3

和TiO

2

的熔点分

别是2 054 ℃和1 857 ℃

[19]

。

等离子喷涂的焰流温度高，当其温度高于2 054 ℃

时，熔融的TiO

2

和Al

2

O

3

具备更好的热力学动力条

件，发生化学反应生成的Al

2

TiO

5

具有良好的耐热冲

击、耐蚀、耐磨性能

[22]

。部分α-Al

2

O

3

瞬间冷却凝固，

导致熔体颗粒过冷，发生晶型转变，生成亚稳态的

γ-Al

2

O

3

，其临界成核自由能较低，所以更易形核，且

形核数量较多

[23]

，而残留的未熔或半熔的α-Al

2

O

3

颗

粒未发生相变，以球形包裹物的形式存在于涂层中

[24]

。

因此，

在此过程中，Al

2

O

3

和TiO

2

也可能发生固溶

[25]

。

涂层中长条层片状的浅色相为TiO

2

，深色相为

Al

2

TiO

5

、α-Al

2

O

3

、γ-Al

2

O

3

。

2.2 力学性能

陶瓷涂层的显微硬度对其在高温下的耐磨性能

有着重要的影响。AT40陶瓷涂层在室温下的截面显

微硬度如图5a所示。可以发现，室温下，TC4基体

材料的硬度约为320HV0.3，在接近结合界面区域时，

TC4基体的硬度值略有增加。这是由于在喷涂过程中

飞行粒子对TC4基体的高速冲击造成的形变强化效

Has C-276过渡层的平均显微硬度约为380HV0.3，

应

[19]

。

AT40陶瓷涂层的平均显微硬度为580HV0.3，硬度值

相较于TC4基材提高了81%。另外，大气等离子喷

涂技术制备的过渡层和表面工作层的显微硬度均呈

现先升高后降低、涂层中心部位硬度值达到最高的趋

势。这可能是与在喷涂该涂层尾声过程中的枪距相对

变短，粉末加速距离缩短有关。

AT40涂层在200、350、500 ℃高温下的显微硬

度如图5b所示。随温度的升高，AT40陶瓷涂层的显

微硬度有降低的趋势，平均显微硬度值由513HV0.3

降低至448HV0.3。然而，AT40陶瓷涂层在500 ℃时

的显微硬度仍然是显著高于钛合金基材。通常，硬度

表示材料局部抵抗外部硬物压入材料表面的能力，涂

[16]

层的显微硬度值越高，说明涂层的耐磨性越好

。

从Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层在不同温度下的磨痕

三维形貌（见图6）可以看出，在200 ℃时，涂层表

面磨痕极其轻微，平均磨损深度仅为0.353 μm，表面

AT40陶瓷涂层在此温度下具有优异的耐高温磨损性

能。当温度升至350 ℃时，涂层表面开始出现轻微

图4 图3b中AT40陶瓷涂层截面的EDS能谱

Fig.4 EDS energy spectra of AT40 ceramic coating section at (a) point 1, (b) point 2 and (c) point 3 in Fig.3b

图5 AT40陶瓷涂层的截面硬度及在高温下的平均显微硬度

Fig.5 Section hardness (a) and average micro-hardness (b) of AT40 ceramic coating at different temperature

·356· 表 面 技 术 2023年12月

的“犁沟”状磨痕，平均磨损深度为4.551 μm；当温

度升至500 ℃时，涂层表面的磨痕宽度和深度迅速

变大，平均磨损深度达到了47.712 μm。

AT40涂层在高温下的磨痕投影面积、平均磨痕

深度和磨损量对比如图7所示。在200 ℃和350 ℃

时，AT40涂层表面磨痕的平均深度分别为0.353、

4.551 μm，对应的磨痕投影面积分别为2.26、3.06 mm

2

。

500 ℃时，涂层表面磨痕的平均深度增加到47.712 μm，

磨损体积从0.028 mm

3

磨痕投影面积增大到10.11 mm

2

，

显著增加到0.484 mm

3

。因此，Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷

涂层在350 ℃以下具有优异的高温耐磨性能，温度

到达500 ℃时，涂层的抗高温摩擦磨损性能降低

明显。

Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层在不同温度下的摩擦系

数和磨损率的变化如图8所示。AT40涂层在200、

350 ℃下的平均摩擦系数分别为0.18±0.02和0.38±

0.03，低于室温下工业钛合金的平均摩擦系数（0.5）。

这是由于涂层表面一些未熔Al

2

O

3

颗粒可以起到微轴

图6 AT40陶瓷涂层在不同温度下的磨痕三维形貌

Fig.6 Three-dimensional morphology of AT40 ceramic coatings at different temperature

图7 AT40陶瓷涂层在不同温度下的磨痕深度、磨痕投影面积和磨损体积

Fig.7 Wear depth and projected area of wear (a) and wear volume

(b) of AT40 ceramic coatings at different temperature

图8 AT40陶瓷涂层在不同温度下的摩擦系数和磨损率

Fig.8 Friction coefficients (a) and wear rate (b) of AT40 ceramic coatings at different temperature

第52卷 第12期 周志强，等：钛合金表面等离子喷涂Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层的高温摩擦磨损性能 ·357·

承的作用

[26-27]

，从而减小了涂层与摩擦副的接触面

积。从图8a可以看出，随着试验温度的升高，涂层

的平均摩擦系数逐渐增大，500 ℃时，涂层平均摩擦

系数增大到0.77±0.02。这是因为在摩擦磨损试验过

程中，随着温度的升高，涂层的硬度呈现逐渐下降的

趋势，喷涂产生的微裂纹迅速扩展，导致陶瓷涂层内

部不同摊片之间的黏结强度下降，涂层局部剥落，增

同时，

加了涂层表面的粗糙度，使得摩擦阻力增大

[17]

。

从图6可以看出，随着温度的升高，氮化硅磨球嵌入

涂层的体积增大，涂层与对磨副的接触面积大幅增

加，导致摩擦系数不断增大。与图6的磨损三维形貌

和图7的磨损体积相对应，随着温度的升高，磨损率

逐渐呈现逐渐增大的趋势。200、350 ℃时，涂层的

磨损率分别为(7.8±0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m)和(37.2±

涂层具有优异的抗高温摩擦磨

0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m)，

损性能。500 ℃时，涂层的磨损率增大到(134.4±0.01)×

10

–5

mm

3

/(N·m)，涂层在此温度下的耐磨性能降低。

2.3 磨损机理分析

AT40陶瓷涂层经过高温摩擦磨损试验后的磨痕

截面形貌如图9所示。从图9a、b可以看出，AT40

磨痕较窄、较浅，涂层截面平整，整体涂层没有发生

明显的塑性变形，在宏观尺度上难以分辨磨痕的整体

形貌，说明AT40涂层在200 ℃和350 ℃下具有优异

的抗高温摩擦磨损性能。从图9c可以看出，AT40陶

瓷涂层在经过500 ℃高温摩擦磨损试验后，存在明

显的弧状截面磨痕及剥落的磨屑，磨痕底部有大量的

纵向裂纹贯穿层状涂层。AT40陶瓷涂层在500 ℃摩

擦磨损试验后的表面形貌如图10所示。可以看出，

摩擦磨损试验后涂层的表面“犁沟”状磨痕比较明显，

有大量的曲折裂纹，没有明显的沿相扩展的痕迹，存

在大量的黑色孔洞即剥落坑。这是由于涂层在热应

力、压应力和摩擦力的共同作用下，裂纹扩展导致涂

层剥落

[28]

。涂层的剥落与物相不存在明显的关系，深

色相（TiO

2

）和浅色相（Al

2

TiO

5

、α-Al

2

O

3

、γ-Al

2

O

3

）

均发生剥落，表现为脆性断裂。

AT40陶瓷涂层在高温下的摩擦磨损原理如图11

所示。涂层由主要由浅色相TiO

2

和深色相Al

2

TiO

5

、

α-Al

2

O

3

、γ-Al

2

O

3

组成，各相之间结合致密，含有少

量的细小孔洞和初始微裂纹等缺陷。在高温磨擦磨损

过程中，受到摩擦力及压应力作用的AT40涂层表面

会产生较高的局部应力，导致这些初始微裂纹沿着涂

层的层边界、孔洞等处增长、扩展，并生成纵向贯穿

裂纹，形成微区脆性断裂。当温度升高至500 ℃时，

涂层内部的热应力促使裂纹进一步扩展，导致涂层分

层剥落，形成剥落坑和磨屑，而这些剥落的颗粒残留

在试样表面，在摩擦力的作用下，被压碎形成细小的

[5]

，

磨粒，在磨球与涂层之间形成轻微的“三体磨料磨损”

从而出现“犁沟”状磨痕。因此，AT40陶瓷涂层在

200 ℃和350 ℃的磨损机制主要为微区脆性断裂，

在500 ℃时的磨损机制表现为裂纹扩展引起的分层

剥落和轻微磨料磨损。

图9 AT40陶瓷涂层在不同温度下的磨痕横截面形貌

Fig.9 Cross-sectional morphology of AT40 ceramic coating after

friction and wear test at different temperature

·358· 表 面 技 术 2023年12月

图10 AT40陶瓷涂层在500 ℃下的磨痕表面形貌

Fig.10 Surface morphology of AT40 ceramic coating

after friction and wear test at 500 ℃

图11 AT40涂层在干摩擦条件下的摩擦磨损原理

Fig.11 Schematic diagram of friction and wear mechanism

for AT40 coating under dry friction condition

3 结论

采用大气等离子喷涂技术制备了Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层，研究了AT40陶瓷涂层的微观形貌、力学

性能及高温摩擦磨损性能，并给出了涂层高温摩擦磨

损过程模型。结果表明：

1）AT40陶瓷涂层呈典型的热喷涂层状结构，各

相分布均匀，结构致密，相比于钛合金基体，平均显

微硬度提高了约81%。AT40陶瓷涂层在200、350、

500 ℃下的高温硬度分别为513HV0.3、463HV0.3、

448HV0.3。

2）随着温度的升高，AT40陶瓷涂层的平均摩擦

系数逐渐增大。200 ℃和350 ℃时， 涂层的平均摩

擦系数分别为0.18±0.02和0.38±0.03，磨损率分别为

(7.8±0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m)和(37.2±0.01)×10

–5

mm

3

/

(N·m)，涂层具有优异的抗高温摩擦磨损性能。500 ℃

时，涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.77±0.02

和(134.4±0.01)×10

–5

mm

3

/(N·m)，磨痕深度和磨损体

积大幅增加，耐磨性能降低。

3）大气等离子喷涂技术制备的Al

2

O

3

-40%TiO

2

陶瓷涂层，含有少量的细小孔洞和初始微裂纹等缺

陷，在高温磨擦磨损过程中，这些初始微裂纹沿着涂

层的层边界、孔洞等处增长、扩展，并生成纵向贯穿

裂纹，形成微区脆性断裂。当温度升至500 ℃时，

涂层内部的热应力促使裂纹进一步扩展，导致涂层分

层剥落，形成剥落坑和磨屑，磨屑在磨球与涂层之间

形成“三体磨料磨损”。AT40陶瓷涂层在200 ℃和

350 ℃的磨损机制主要为微区脆性断裂，在500 ℃

时的磨损机制表现为裂纹扩展引起的分层剥落和轻

微磨料磨损。

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