兩種不同成分NiAl涂層性能的對比研究

賈 鵬，宮劭佳

（中國民航大學(xué)理學(xué)院，天津 300300）

兩種不同成分NiAl涂層性能的對比研究

賈 鵬，宮劭佳

（中國民航大學(xué)理學(xué)院，天津 300300）

采用雙絲電弧噴涂在6061-T6鋁合金基底上制備NiAl-95/05和NiAl-80/20涂層，利用標(biāo)準(zhǔn)測試方法測量涂層的機械性能，并提出了NiAl涂層摩擦磨損機理的新理論。結(jié)果表明：NiAl-80/20涂層具有較高的結(jié)合強度和顯微硬度。隨磨損進行，NiAl-80/20涂層的靜摩擦系數(shù)隨磨損的繼續(xù)一直單調(diào)下降，直至最后進入穩(wěn)態(tài)階段；NiAl-95/05涂層的靜摩擦系數(shù)先緩慢下降，200個循環(huán)之后由于磨損形貌的進一步惡化，靜摩擦系數(shù)呈緩慢上升的趨勢。NiAl-95/05涂層的磨損機制主要為磨粒磨損，并且在磨損過程中伴隨有犁削效應(yīng)；NiAl-80/20涂層主要為粘著磨損機制，并且具有更好的耐磨性。

鎳鋁涂層；結(jié)合強度；摩擦；磨損

熱噴涂應(yīng)用中，鎳鋁常作打底層[1]，在工作層和基體間起屏蔽作用，以降低環(huán)境氧化和腐蝕，并能對因基體和工作層熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力起到緩沖作用[2]。更重要的是因熱噴涂鎳鋁的反應(yīng)過程是一放熱過程，噴涂時熔化粒子到達基體時能與基體發(fā)生熔合，形成微焊接，大大改善了涂層與基體的結(jié)合性能。近年來還發(fā)現(xiàn)鎳鋁金屬間化合物具有高熔點、低密度、抗氧化和耐高溫腐蝕[3]等優(yōu)點，因此作為潛在的高溫結(jié)構(gòu)材料已越來越引起關(guān)注。鎳鋁化合物合金（NiAl和Ni3Al）在發(fā)動機的增壓器、高溫模具、爐用架具、軋輥、水壓機、刀具及汽輪機零件等方面有很多潛在的應(yīng)用，已是令人關(guān)注的噴氣發(fā)動機葉片的候選材料。同時，除用作發(fā)動機的結(jié)構(gòu)材料外，鎳鋁金屬間化合物及其合金具有作為苛刻環(huán)境的抗磨材料的潛在應(yīng)用前景[4]。

本研究采用鎳鋁合金絲材NiAl-95/05和鎳鋁復(fù)合絲材NiAl-80/20，利用電弧噴涂工藝在6061-T6鋁合金基體上分別制備兩種鎳鋁涂層。本文將從組織結(jié)構(gòu)、結(jié)合強度、硬度、表面粗糙度及摩擦磨損性能等方面對上述兩種涂層的性能進行比較。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用試驗材料如表1所示。

表1 試驗材料Tab.1 Test materials

1.2 涂層制備

本次研究采用TAFA9935雙絲電弧噴涂設(shè)備，分別選用合適的工藝參數(shù)在鋁合金基體上制備涂層。噴涂前采用24目剛玉，噴砂壓力為0.4 MPa，對鋁合金試板表面進行噴砂處理，使表面清潔。

1.3 試驗方法

拉伸實驗依據(jù)ASTM－C－633－01進行。兩種涂層各制備5個拉伸試樣，尺寸為φ25.4×6 mm。采用WDW－S100型萬能電子拉伸試驗機測定涂層的結(jié)合強度。

摩擦磨損試驗依據(jù)美國軍標(biāo)MIL－PRF－24667C－4.5.4進行。磨損試驗采用接觸式往復(fù)滑動，原理如圖1所示。兩種涂層各制備3塊試板，試樣尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，摩擦配副為φ3 mm的冷軋ASTM A229 Class 2彈簧鋼絲（硬度 HV200g430），法向壓力為133.8±0.98 N，滑動速度為25 mm/s，往復(fù)位移幅值為225 mm，試驗溫度為室溫。兩種涂層分別進行25個循環(huán)、200個循環(huán)、500個循環(huán)的磨損，試驗后采用PB1502－S精密天平測量磨損失重，分度值為0.01 g。采用傾角法[5]測定涂層磨損前后不同階段的靜摩擦系數(shù)，其中試驗用滑塊的摩擦面貼有厚度為3 mm的硫化氯丁橡膠片（邵氏硬度57±2）。

利用HVS－1000顯微硬度儀測定涂層顯微硬度（加載時間為20 s）；Elcometer223型表面輪廓儀測定涂層表面粗糙度；1530VP場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察涂層磨損的表面形貌；D/MAX－2500型衍射儀進行涂層物相成分分析（Cu靶，掃描速度為5°/min，范圍為10°～80°）。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層組織結(jié)構(gòu)表征

圖2所示為電弧噴涂涂層的橫截面形貌和表面形貌（SEM）。由涂層截面圖可知兩種涂層均呈現(xiàn)出多相交錯的層狀組織結(jié)構(gòu)，與基體結(jié)合緊密，涂層和基體界面較平整，無裂紋。NiAl－95/05合金絲的熔絲狀態(tài)優(yōu)于NiAl－80/20粉芯絲，所以NiAl－95/05涂層較NiAl－80/20涂層致密，粒子變形充分呈扁平狀，而在NiAl－80/20涂層中除存在孔洞還含有少量未熔化的生粉。由表面形貌圖可知，兩種涂層表面均呈現(xiàn)凹凸不平，粗糙度較大，而且兩者的表面狀態(tài)不盡相同。利用Elcometer223型表面輪廓儀隨機測定20個點，如圖3所示，NiAl－80/20涂層具有較大的表面粗糙度。

圖4所示為兩種涂層的X射線衍射圖譜。從衍射結(jié)果可以看出，NiAl－95/05涂層中的主相為（Ni）固溶體，此外還包括很少量Al2O3和NiO。對于NiAl－80/20涂層而言，涂層中的主要組成相為NiAl和Ni3Al，由此導(dǎo)致了兩涂層顯微硬度的差別。如圖5所示，NiAl-95/05涂層的顯微硬度HV介于165～313之間，平均值242；NiAl-80/20涂層的顯微硬度HV介于249～405之間，平均值327。整體而言，NiAl-80/20涂層比NiAl-95/05涂層具有更高的顯微硬度。這與相關(guān)研究結(jié)果一致[6]。

2.2 涂層的結(jié)合強度

從表2中兩種涂層結(jié)合強度測試的結(jié)果可以看出，電弧噴涂NiAl-95/05合金絲材涂層與基體的平均結(jié)合強度為41.73 MPa。而NiAl-80/20復(fù)合絲涂層與基體的平均結(jié)合強度為52.68 MPa。顯然，電弧噴涂NiAl-80/20復(fù)合絲的結(jié)合強度高于NiAl-95/05合金絲。結(jié)合兩種涂層的相組成分析，NiAl-95/05涂層中的主相為（Ni）固溶體，此外還包括少量Al2O3和NiO，即大部分合金是以Ni（Al）固溶體熔滴的形式沉積在基體表面，只有少部分Al和Ni與氧發(fā)生反應(yīng)，放出熱量，而NiAl-80/20復(fù)合絲材在噴涂時，伴隨大量Ni和Al的金屬間化合而形成金屬間化合物，同時放出大量的熱，所以前者放熱量對粒子到達基體的增效作用要小于后者，使得二者在界面處的微焊接程度不同而造成其結(jié)合強度上的差異。

表2 不同成分NiAl涂層結(jié)合強度Tab.2 Bond strength of different compositional NiAl coating

2.3 涂層的摩擦磨損特性

如表3所示可知，NiAl-80/20涂層的磨損后失重明顯小于NiAl-95/05涂層，呈現(xiàn)出較好的耐磨性。同時，通過對比兩種涂層不同階段的磨損形貌可見，兩者的磨損行為存在明顯差異。NiAl-95/05涂層在開始階段表現(xiàn)為粘著磨損，隨磨損的加劇，伴隨表面塑性變形，涂層表面出現(xiàn)嚴(yán)重的犁溝，表明后期為微切削作用下的磨粒磨損[7]。而NiAl-80/20涂層在磨損的整個過程中，主要表現(xiàn)為粘著磨損，而且磨損形貌變化很小。

表3 涂層滑動磨損結(jié)果Tab.3 Results of wear experiment

當(dāng)摩擦副兩表面接觸時，實際接觸的只是表面上的一些微凸體，其承受很大的壓力，因此這些實際接觸的峰點會發(fā)生塑性變形和瞬間高溫使材料發(fā)生粘合。一旦脫離接觸，粘結(jié)點將被破壞，材料發(fā)生黏著磨損[8]。就NiAl-95/05涂層而言，其主相為（Ni）固溶體，導(dǎo)致涂層硬度較低。此時，粘結(jié)點的破壞發(fā)生在涂層一側(cè)（如圖6中A1-25所示），因而部分涂層會粘附在對磨件上。隨磨損繼續(xù)，越來越多的粘結(jié)點作為磨損顆粒脫落下來，經(jīng)塑性變形而獲得很高的應(yīng)變硬度，從而形成硬質(zhì)相，產(chǎn)生微切削作用使涂層顯示出明顯的犁溝磨痕（如圖6中A3-500所示）。由此，進入磨粒磨損階段。而NiAl-80/20涂層中主成分相是NiAl和Ni3Al[9-10]，其顯微硬度（327）依舊低于冷軋鋼絲（430），故同樣發(fā)生粘著磨損（如圖6中B1-25所示）。區(qū)別在于二者的磨損程度明顯不同。一般來說，脆性材料的抗粘著磨損能力比塑性材料要高。塑性材料形成的黏著結(jié)點的破壞以塑性流動為主，它發(fā)生在離表面一定的深度處。而脆性材料的損傷深度較淺，同時磨屑容易脫落，不堆積在表面上。NiAl和Ni3Al作為金屬間化合物在室溫下塑性較低，這里可按脆性材料分析，所以NiAl-80/20涂層較NiAl-95/05涂層磨損量小，磨屑細小，且不易堆積，磨損后期很難形成大顆粒對表面產(chǎn)生微觀切削（如圖6中B2-200和圖6中B3-500所示）。

圖7為兩種涂層的靜摩擦系數(shù)在不同滑動循環(huán)次數(shù)下的變化關(guān)系圖?？梢钥闯觯阂騈iAl-80/20原始涂層的粗糙度較NiAl-95/05大，故其初始摩擦系數(shù)較大。隨后在摩擦的初始階段，兩種涂層的摩擦系數(shù)均隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，而且NiAl-95/05涂層的摩擦系數(shù)明顯比NiAl-80/20涂層下降得快。之后，兩種涂層的摩擦系數(shù)曲線都呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，但在200次循環(huán)之后，NiAl-95/05涂層的摩擦系數(shù)開始緩慢增加，而此時的NiAl-80/20涂層的摩擦系數(shù)則繼續(xù)下降，直至最后進入穩(wěn)態(tài)階段。這主要是因為在摩擦初始階段，通過接觸峰頂磨損和塑性變形，使摩擦副接觸表面的形態(tài)相互貼服，故摩擦系數(shù)隨之降低，并且顯微硬度較低的NiAl-95/05涂層比NiAl-80/20涂層下降得更快。隨循環(huán)次數(shù)增加，接觸面積逐漸增大，磨損率降低，摩擦系數(shù)緩慢下降，NiAl-95/05涂層在這一過程中產(chǎn)生大量磨損粒子，二體磨損變?yōu)槿w磨損，磨屑經(jīng)塑性變形后，作為硬質(zhì)顆粒對涂層產(chǎn)生犁溝效應(yīng)，使表面形貌進一步惡化，故200次循環(huán)后，其摩擦系數(shù)開始逐步上升。相對而言，由于NiAl-80/20涂層硬度高、耐磨性好，故隨磨損進行，其表面形貌變化微小，摩擦系數(shù)變化浮動很小，直到最后進入一個較平穩(wěn)的階段。

3 結(jié)語

1）電弧噴涂制備的NiAl-95/05涂層中的主相為（Ni）固溶體，此外還包括很少量Al2O3和NiO；NiAl-80/20涂層中的主要組成相為NiAl和Ni3Al。

2）電弧噴涂NiAl-80/20涂層的結(jié)合強度高于NiAl-95/05涂層。

3）NiAl-80/20涂層顯微硬度高于NiAl-95/05涂層，故NiAl-80/20涂層表現(xiàn)出較好的耐磨性。

4）在磨損試驗初期，NiAl-95/05涂層表現(xiàn)為粘著磨損，后隨磨損的進行主要表現(xiàn)為磨粒磨損；NiAl-80/20涂層始終表現(xiàn)為粘著磨損。

5）隨磨損循環(huán)次數(shù)的增加，NiAl-95/05涂層的摩擦系數(shù)先緩慢下降，200個循環(huán)之后由于磨損形貌的進一步惡化，呈緩慢上升的趨勢；NiAl-80/20涂層的摩擦系數(shù)則隨磨損的繼續(xù)一直呈下降趨勢，直至最后進入穩(wěn)態(tài)階段。

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Contrastive Study of Two Different Compositional NiAl Coating Properties

JIA Peng，GONG Shao-jia
（College of Science， CAUC， Tianjin 300300， China）

Two-wire arc sprayed NiAl-95/05 and NiAl-80/20 coatings were fabricated on the 6061-T6 aluminum alloy substrate and the standard methods are used to evaluate the mechanical properties of these two coatings.Furthermore，an idea of friction and wear mechanism of NiAl coating was proposed for the first time.The results show that the NiAl-80/20 coating has higher bond strength and micro-hardness than NiAl-95/05 coating.The coefficient of static friction（CSF） of NiAl-80/20 coating decreases with wear cycle till to the stable status.For NiAl-95/05 coating，the CSF value firstly decreases with wear cycle to lower number of wear cycles then increases slowly after 200 wear cycles.It is found that the abrasive wear mechanism is the main process accompanied with plowing effect on NiAl-95/05 coating and the adhesive wear mechanism is the main one on NiAl-80/20 coating duringfriction.NiAl-80/20coatinghaveahigherwearresistancethanNiAl-95/05coating.

NiAl coating；bond strength；friction；wear

TG174.4

A

1674－5590（2011）02－0032－04

2010-01-11；

2011-02-28

賈 鵬（1980—），男，河北邯鄲人，實驗師，碩士，研究方向為表面工程.

book=6,ebook=126

（責(zé)任編輯：楊媛媛）