表面處理對(duì)17-4PH不銹鋼抗固體粒子沖蝕性能的影響

謝安琦， 劉道新， 劉明霞， 張海存， 張曉化

(1.西北工業(yè)大學(xué)腐蝕與防護(hù)研究室，西安710072;2.西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司，西安710611)

固體粒子沖蝕(solid particle erosion，SPE)是造成飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置葉片損傷的主要原因之一。固體粒子沖蝕會(huì)造成材料表面蝕坑、甚至發(fā)生疲勞斷裂破壞，嚴(yán)重情況將危機(jī)各類動(dòng)力裝置的安全可靠性和使用壽命［1，2］，因此，對(duì)葉片材料進(jìn)行表面處理，提高其抗固體粒子沖蝕性能十分重要。

多弧離子鍍陶瓷/金屬多層膜具有良好的強(qiáng)韌綜合性能［3，4］，用于改善金屬材料表面的抗SPE性能有一定的優(yōu)勢(shì)［5～7］。激光表面合金化(laser surface alloying，LSA)層與基體之間以冶金方式結(jié)合，通過(guò)合理的表面合金成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠賦予基材表面良好的強(qiáng)韌性能，從而提高抗SPE的能力。超音速火焰噴涂(supersonic flame spraying，HVOF)涂層具有結(jié)合強(qiáng)度高、涂層致密性較好、涂層結(jié)構(gòu)較易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因而是運(yùn)用比較廣泛的一種改善材料表面耐磨和抗蝕性能的熱噴涂技術(shù)［8～10］，相關(guān)工藝研究很多［11，12］。多弧離子鍍、激光表面合金化、超音速火焰噴涂技術(shù)制備的表面改性層用于提高葉片材料的抗SPE性能各有優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。目前，多弧離子鍍技術(shù)制備的TiN層、TiAlN層在控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片抗SPE上已得到應(yīng)用［13］，并且TiAlN層的效果更為明顯［1，4］。LSA制備的合金化層也已經(jīng)在一些動(dòng)力裝置的關(guān)鍵部位得到運(yùn)用，Yao等［14］將不銹鋼汽輪機(jī)葉片采用激光合金化處理改善抗氣蝕性能。Paul等［15］在激光合金層中加入硬質(zhì)陶瓷相提高合金化改性層的耐磨性。超音速火焰噴涂(HVOF)涂層用于抗沖蝕性能的研究較多，主要集中在對(duì)比不同熱噴涂工藝方法或參數(shù)對(duì)抗沖蝕性能的影響方面［16，17］。然而，在大流量風(fēng)沙環(huán)境下上述三類表面改性層的抗固體粒子沖蝕行為尚少見對(duì)比研究。大攻角SPE破壞以多沖型接觸疲勞破壞為主要失效機(jī)制，而小攻角SPE破壞則以微切削為主要破壞機(jī)制，上述三類表面改性層在大小攻角下的抗SPE性能各有何特點(diǎn)，有必要進(jìn)行對(duì)比研究。

17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼由于具有良好的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)風(fēng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料。因此，本工作選擇17-4PH不銹鋼為基材，在其表面分別制備TiAlN/Ti多層膜、激光合金化層、HVOFWC-17Co涂層，對(duì)比研究這三種表面改性技術(shù)對(duì)典型葉片材料抗固體粒子沖蝕行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試樣表面處理方法

實(shí)驗(yàn)材料為工業(yè)動(dòng)力裝置葉片常用17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼，其化學(xué)成分見表1。熱處理制度為:固溶處理+一次時(shí)效+二次時(shí)效，熱處理后的力學(xué)性能如表2所示。

試樣尺寸為φ30mm×10mm的圓片?；脑嚇釉谥苽渫繉忧氨砻娼?jīng)過(guò)機(jī)械拋光、清洗、除油等預(yù)處理。薄膜制備方法如下。

(1)多弧離子鍍TiAlN/Ti多層膜

多弧離子鍍 TiAlN/Ti多層膜用靶材為純度99.95%的TiAl靶(Ti和Al的原子比約為50∶50)和純度99.95%的Ti靶，靶基間距同為150mm，試樣表面溫度300℃，工作氣壓為(5～8)×10-1Pa。TiAl靶電流110A，維弧電壓60V，Ti靶電流80A，維弧36V，基底偏壓-400V。TiAlN/Ti多層膜的制備通過(guò)交替通入Ar和N2以及交替開啟關(guān)閉兩種靶材電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，沉積Ti層時(shí)，開啟Ti靶電源并通入Ar氣，沉積TiAlN層時(shí)，關(guān)閉Ti靶電源，開啟TiAl靶電源，并通入N2氣。底層為Ti，頂層為TiAlN，Ti層厚度約1.5μm，TiAlN層厚度約0.4μm，共6層，總厚度約為6μm。

表1 17-4PH不銹鋼成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 The components of17-4PH stainless steel(mass fraction/%)

表2 17-4PH不銹鋼力學(xué)性能Table 2 Themechanical of 17-4PH stainless steel

(2)激光表面合金化處理

激光表面合金化處理裝置為三軸聯(lián)動(dòng)四坐標(biāo)數(shù)控加工機(jī)床上配備5kW恒流CO2激光加工系統(tǒng)，采用氬氣保護(hù)，在激光處理區(qū)域預(yù)先均勻涂覆合金化用粉末，粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為:Cr 24.5～26.5，W 7.0～8.0，Ni 9.5～11.5，F(xiàn)e≤2.0，Si≤1.0，Mn≤1.0，Co余量，輸出功率為4kW，光斑直徑4mm，掃描速率10mm/s。激光表面合金化處理層深控制在約2mm。

(3)超音速火焰噴涂WC-17Co涂層

超音速火焰噴涂WC-17Co涂層采用粒度15～45μm的WC-17Co粉末，以煤油為燃?xì)猓鯕鉃橹細(xì)怏w，氮?dú)鉃樗头蹥怏w，超音速火焰噴涂前在試樣表面進(jìn)行噴砂預(yù)處理，以提高涂層與不銹鋼基材的結(jié)合強(qiáng)度。優(yōu)化的工藝參數(shù):噴涂距離為380mm，送粉速率為150g/min，氧氣流量為110m3/h，煤油流量為25L/h。WC-17Co涂層厚度控制在約300μm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微觀形態(tài)表征與力學(xué)性能測(cè)試

1.2.2 固體粒子沖蝕性能測(cè)試

在自制的氣壓式?jīng)_蝕試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行固體粒子沖蝕實(shí)驗(yàn)，裝置如圖1所示。圓片試樣被固定在夾具上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)夾具來(lái)調(diào)整固體粒子沖擊攻角。固體粒子通過(guò)振動(dòng)漏斗在混合室中與壓縮空氣產(chǎn)生的加速氣體混合，通過(guò)控制空氣壓力來(lái)調(diào)整固體粒子速率，氣體攜帶固體粒子從噴嘴口射出，入射到試樣表面，加速管內(nèi)徑為4mm。沖蝕介質(zhì)為多棱角的棕剛玉顆粒，直徑范圍 200～300μm，硬度2000～2300HV，噴嘴到試樣表面的距離為20mm。粒子流量控制為100g/min，分別在30°和90°攻角下進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)，沖蝕時(shí)間為4min。

圖1 固體粒子沖蝕裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sand-blast type erosion tester

采用TAYLOR-HOBSON型表面輪廓儀測(cè)定試樣表面沖蝕坑輪廓形貌。利用掃面電子顯微鏡觀察試樣表面沖蝕坑微觀特征，分析沖蝕機(jī)理。

1.2.3 固體粒子沖擊破壞過(guò)程的模擬實(shí)驗(yàn)方法

采用WS-05型劃痕儀模擬小攻角下的單顆固體粒子沖蝕行為，劃痕儀壓頭為金剛石圓錐壓頭，圓錐角120°，加載范圍為0～40N，劃痕長(zhǎng)度為3mm。用自組裝的小能量多沖實(shí)驗(yàn)裝置模擬90°大攻角下單顆固體粒子的沖蝕行為，并評(píng)價(jià)表面改性層的動(dòng)態(tài)承載能力和失效行為，選用標(biāo)準(zhǔn)維氏四棱錐壓頭模擬多棱角固體粒子，載荷5N，壓頭與試樣表面初始距離為0.5mm，沖擊頻率20Hz，沖擊次數(shù)5000次。由于激光合金化層和HVOF涂層表面粗糙，故實(shí)驗(yàn)前對(duì)這兩種改性層表面進(jìn)行拋光處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 改性層的形態(tài)特征和硬度

圖2所示為三種表面改性層的截面顯微形貌?？梢钥吹?，TiAlN/Ti多層膜中深色單元層為Ti層，淺色單元層為TiAlN層，相鄰的Ti層和TiAlN之間結(jié)合緊密，底層Ti層與不銹鋼基材結(jié)合緊密。激光表面合金化層與不銹鋼基材為冶金結(jié)合，由于激光合金化處理中需要搭接處理，因此合金化層與基體界面呈現(xiàn)出周期性的弧狀界面。在激光合金化處理的快速加熱和冷卻過(guò)程中存在復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)和對(duì)流現(xiàn)象，使得合金化層中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，由此導(dǎo)致合金化層內(nèi)存在微裂紋缺陷。WC-17Co涂層與基體之間的結(jié)合方式為機(jī)械嵌合，呈鋸齒形，這是由于試樣表面進(jìn)行噴砂預(yù)處理增加表面粗糙度的緣故造成的，有利于涂層與基體結(jié)合力的提高?？梢钥吹?，WC-17Co涂層較為致密，與不銹鋼基材結(jié)合緊密。

圖2 17-4PH不銹鋼試樣表面改性層截面SEM形貌及XRD分析Fig.2 Section SEM morphology and XRD of surfacemodification layers on 17-4PH stainless steel (a1，a2)TiAlN/Timultilayers;(b1，b2)laser alloyed coating;(c1，c2)thermal spray coating ofWC-17Co

通過(guò)XRD物相分析可以看出，TiAlN/Ti的多層膜主相為Ti相及TiAlN相，還存在部分AlTi3N相。激光合金化層在定向凝固后晶體的生長(zhǎng)擇優(yōu)取向明顯，僅γ-Co相衍射峰較強(qiáng)。熱噴涂層主要為WC相，還可能存在少量的W2C，CoxWyC相組織。圖3所示為17-4PH不銹鋼基材與三種表面處理試樣表面顯微硬度隨測(cè)試載荷的變化規(guī)律。17-4PH不銹鋼表面顯微硬度為692HK0.49，可以看到三種表面改性處理均提高了不銹鋼基材的表面硬度，在小載荷下TiAlN/Ti多層膜表面硬度最高，為2254 HK0.49，然而由于其厚度較小，隨著施加載荷的增大承載能力迅速下降。在小載荷下HVOF制備的WC-17Co涂層的表面硬度為2075 HK0.49。隨著載荷的增加表觀硬度呈下降趨勢(shì)變化，但下降速率明顯比TiAlN/Ti多層膜慢，即該涂層有更好的表面承載能力，其原因顯然是涂層自身的硬度高和厚度大的緣故。在小載荷下激光表面合金化層硬度為1096 HK0.49，比基材硬度有一定的提高，但是提高程度小于TiAlN/Ti多層膜和WC-17Co涂層。

圖3 各試樣表面顯微硬度隨載荷的變化Fig.3 Microhardness of the test samples vs loading curves

2.2 固體粒子沖蝕行為

2.2.1 30°攻角下的沖蝕行為

圖4所示為30°攻角下不同表面狀態(tài)的17-4PH不銹鋼試樣固體粒子沖蝕宏觀形貌。圖5所示為輪廓儀測(cè)定的沿沖蝕坑橢圓長(zhǎng)軸的輪廓圖，表3為各試樣表面沖蝕坑的最大深度?？梢钥吹?，在四種表面狀態(tài)的17-4PH不銹鋼試樣中，基材和表面沉積TiAlN/Ti多層膜的試樣沖蝕嚴(yán)重，激光表面合金化處理試樣的抗沖蝕性能優(yōu)于TiAlN/Ti多層膜。抗沖蝕性能最好的是超音速火焰噴涂WC-17Co涂層，其沖蝕坑明顯比其他試樣淺。

圖4 30°攻角下各試樣表面沖蝕坑宏觀形貌Fig.4 Surfacemacroscopicmorphology of test samples after erosion wear at30°jet angle (a)substrate; (b)TiAlN/Timultilayers;(c)laser alloyed coating;(d)thermal spray coating ofWC-17Co

圖6所示為各試樣表面30°攻角沖蝕后的微觀形貌，可以看出，不銹鋼基材試樣、表面沉積TiAlN/ Ti多層膜試樣和表面激光合金化試樣為典型的舌狀沖蝕破壞特征，這是由于固體粒子對(duì)試樣表面的微切削作用造成的［6］。由于TiAlN/Ti多層膜較薄，沖蝕試驗(yàn)過(guò)程的先期已被沖透，后期實(shí)為不銹鋼基材的沖蝕，故與不銹鋼基材沖蝕特征一致。激光表面合金化處理試樣硬度較不銹鋼基材高，因此舌狀沖蝕微坑的尺寸較不銹鋼基材小，但因其硬度比基材提高的不是十分顯著，故沖蝕特征與不銹鋼基材類似。表面噴涂WC-17Co涂層的試樣沖蝕破壞最輕，表面舌狀沖蝕微坑很淺，并伴隨有少量未脫落的微粒，這歸于該涂層的硬度高，抗犁削能力強(qiáng)的原因。

表3 30°攻角下各試樣表面最大沖蝕坑深度及沖蝕坑截面積Table 3 Themass depth and sectional area of erosion pits of the test samples after 30°erosion

圖6 試樣表面30°攻角沖蝕坑微觀形貌Fig.6 Surfacemicroscopic morphology of test samples after erosion wear at 30°jet angle (a)substrate; (b)TiAlN/Timultilayers;(c)laser alloyed coating;(d)thermal spray coating ofWC-17Co

2.2.2 90°攻角下的沖蝕行為

圖7所示為90°攻角下各表面狀態(tài)試樣的沖蝕形貌，圖8所示為輪廓儀測(cè)試的沖蝕坑剖面輪廓特征，圖9所示為根據(jù)輪廓曲線計(jì)算［18］的各試樣沖蝕坑體積對(duì)比?？梢钥吹剑N表面處理層都使17-4PH不銹鋼的抗90°大攻角沖蝕性能改善，改善效果最好的仍為HVOFWC-17Co涂層，其次是激光合金化層，TiAlN/Ti多層膜的效果相對(duì)最差。

圖7 90°攻角沖蝕坑宏觀形貌Fig.7 Surfacemacroscopic morphology of test samples after erosion (a)substrate; (b)TiAlN/Timultilayers;(c)wear at90°jet angle;(d)thermal spray coating ofWC-17Co

圖8 90°攻角下各試樣表面的沖蝕坑輪廓形貌Fig.8 The erosion profile of test samples after erosion wear at90°jet angle (a)substrate; (b)TiAlN/Timultilayers;(c)laser alloyed coating;(d)thermal spray coating ofWC-17Co

圖9 90°攻角沖蝕各試樣的體積損失Fig.9 Volume loss of test samples after 90°erosion

圖10所示為不同表面狀態(tài)的17-4PH不銹鋼試樣在90°攻角下沖蝕坑的表面微觀形貌。可以看到，不銹鋼基材表面與激光合金化試樣表面發(fā)生明顯的塑性變形，主要是固體粒子垂直沖擊造成的沖擊坑以及連續(xù)沖擊所產(chǎn)生的鍛壓唇片和凸起，還可以看到一些切削和犁溝痕跡，這是由于固體粒子在沖擊過(guò)程中相互碰撞造成一些粒子以小角度沖擊試樣表面的緣故。表面沉積TiAlN/Ti多層膜的試樣由于沖蝕過(guò)程的早期膜層被沖透，因此沖蝕形貌與不銹鋼基材試樣一致。帶WC-17Co涂層的試樣表面較為平整，塑性變形小，鍛壓唇片和凸起很少，其破壞特征與30°攻角下沖蝕坑的表面微觀形貌類似。

2.3 單顆粒子沖擊模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

固體粒子小攻角沖擊試樣表面時(shí)，帶有尖銳棱角的磨粒劃過(guò)試樣表面產(chǎn)生微切削作用，因此，可以利用劃痕實(shí)驗(yàn)?zāi)M單顆固體粒子在小攻角下的沖蝕行為，采用圓錐金剛石壓頭對(duì)不同表面狀態(tài)的17-4PH不銹鋼試樣進(jìn)行連續(xù)線性遞增載荷(由0增大到40N)的劃痕實(shí)驗(yàn)，各試樣的劃痕形貌如圖11所示(載荷增大方向?yàn)閺挠彝??？梢钥吹?，在最大載荷40N時(shí)(劃痕端部)各試樣劃痕寬度依此順序降低:不銹鋼基材＞TiAlN/Ti多層膜＞激光合金化層＞HVOFWC-17Co層，由此表明，HVOFWC-17Co層對(duì)不銹鋼基材的抗犁削性能提高最為顯著，其次是激光合金化層，而TiAlN/Ti多層膜較薄，故對(duì)基材的抗犁削性能提高程度較小。同時(shí)看出，劃痕實(shí)驗(yàn)與小攻角下固體粒子沖蝕結(jié)果是一致的。17-4PH不銹鋼硬度低，因而劃痕兩側(cè)出現(xiàn)較嚴(yán)重的塑性變形，并伴隨顯微開裂現(xiàn)象，即在小攻角下其抗沖蝕性能較差。

圖10 試樣表面90°攻角沖蝕坑微觀形貌Fig.10 Surfacemicroscopic morphology of test samples after erosion wear at90°jet angle (a)substrate; (b)TiAlN/Timultilayers;(c)laser alloyed coating;(d)thermal spray coating ofWC-17Co

圖11 試樣表面劃痕形貌Fig.11 The scratchmorphology of the test sample surfaces (a)substrate;(b)TiAlN/Timultilayers; (c)laser alloyed coating;(d)thermal spray coating ofWC-17Co

HVOFWC-17Co層對(duì)不銹鋼基材的承載能力提高最為顯著，同時(shí)有很好的抗微切削性能，因而可顯著提高不銹鋼基材小攻角下的沖蝕性能。TiAlN/Ti多層膜硬度高，并具有較好的韌性，表現(xiàn)出良好的抗微切削性能，因此對(duì)于改善17-4PH不銹鋼早期的小攻角沖蝕破壞有良好的效果，然而在大流量固體粒子小攻角長(zhǎng)時(shí)沖蝕作用下，仍然會(huì)破壞，從而失去對(duì)基材的保護(hù)作用。激光合金化層有效提高不銹鋼基材的表面硬度，并保持較好的韌性，因此，也能對(duì)不銹鋼基材小攻角下固體粒子沖蝕抗力有提高作用，但是由于其硬度比HVOFWC-17Co層明顯低，且存在一定的微裂紋缺陷，劃痕溝槽內(nèi)的開裂與此有關(guān)，因而提高作用不及后者。

2.3.2 多沖疲勞性能

固體粒子大攻角沖蝕情況下，沖擊速率的切向分量較小，法向分量占主要地位，對(duì)試樣表面的破壞作用類似連續(xù)沖擊疲勞，圖12所示為載荷5N連續(xù)沖擊5000次后各表面狀態(tài)試樣的表面損傷形貌，可以看出，各試樣沖擊坑尺寸有如此規(guī)律:不銹鋼基材≈TiAlN/Ti多層膜＞激光合金化層＞HVOF WC-17Co層。由此表明，HVOFWC-17Co層對(duì)不銹鋼基材的承載能力提高最為顯著，抗多沖性能最優(yōu)，其次是激光合金化層，而TiAlN/Ti多層膜較薄，存在結(jié)合較為薄弱的界面，呈現(xiàn)出明顯的脫層破壞現(xiàn)象，故對(duì)基材的承載能力提高較小。多沖疲勞結(jié)果與90°大攻角下固體粒子沖蝕結(jié)果一致，破壞形態(tài)也較為接近。四棱錐金剛石壓頭垂直反復(fù)沖擊試樣表面，產(chǎn)生沖蝕坑，17-4PH不銹鋼表面硬度低，承載能力差，故易于塑性變形和疲勞脫層破壞。TiAlN/Ti多層膜硬度雖比17-4PH不銹鋼基材高很多，然而其厚度小，因而不能十分有效提高基材的抗沖擊破壞性能。HVOFWC-17Co涂層具有足夠高的硬度和良好的強(qiáng)韌綜合性能，并且厚度足夠大，因而顯著改善不銹鋼基材的抗多沖性能。激光表面合金化層具有較好的強(qiáng)韌綜合性能，因而能夠改善不銹鋼的抗沖擊性能，但其硬度不及HVOFWC-17Co涂層，故抗多沖疲勞性能低于后者。

圖12 多沖實(shí)驗(yàn)后各試樣表面沖擊坑微觀形貌Fig.12 Themicroscopicmorphology of the indentations on test samples aftermultiple impact test (a)substrate; (b)TiAlN/Timultilayers;(c)laser alloyed coating;(d)thermal spray coating ofWC-17Co

2.4 討論

小攻角下固體粒子沖蝕破壞機(jī)制以微切削為主。17-4PH不銹鋼硬度低，抗切削能力差，30°攻角下17-4PH不銹鋼基材沖蝕最為嚴(yán)重。不銹鋼表面沉積TiAlN/Ti多層膜試樣抗30°攻角沖蝕性能優(yōu)于鋼基材，由于TiAlN/Ti多層膜較薄，本實(shí)驗(yàn)條件下大流量的固體粒子沖蝕已沖透膜層，后期的沖蝕實(shí)際為不銹鋼基材的沖蝕過(guò)程，故對(duì)基材沖蝕抗力的提高不顯著。激光表面合金化處理試樣的抗沖蝕性能優(yōu)于TiAlN/Ti多層膜，此歸于該改性層硬度高于不銹鋼基材，且厚度較大。抗沖蝕性能最好的是超音速火焰噴涂WC-17Co涂層，其沖蝕坑明顯比其他試樣淺，這是由于WC-17Co涂層硬度高、層深大，抗小角度下固體粒子沖蝕過(guò)程的微切削能力強(qiáng)的緣故。

多沖疲勞結(jié)果表明，90°大攻角下的固體粒子沖蝕失效機(jī)制類似多沖疲勞破壞［6］，且屬高應(yīng)力的應(yīng)變疲勞失效范疇，因此，抗大攻角固體粒子沖蝕需要足夠高的表面硬度或強(qiáng)度與良好的韌性(斷裂韌度KIC)的配合，或者說(shuō)需要良好的表面強(qiáng)韌綜合性能。對(duì)于表面改性層來(lái)說(shuō)，同時(shí)還需要改性層與金屬基材之間良好的結(jié)合強(qiáng)度和相近的彈性模量，以保障足夠好的應(yīng)力應(yīng)變協(xié)調(diào)性。表4給出本工作所涉及表面改性層和不銹鋼基材的彈性模量E、斷裂韌度KIC和H3/E2比值(H為表面硬度)，其中H3/E2比值大小可表征強(qiáng)韌綜合性能的優(yōu)劣。圖13所示為各表面狀態(tài)試樣在90°大攻角下沖蝕實(shí)驗(yàn)后的截面形貌，可以看到，17-4PH不銹鋼基材與表面沉積TiAlN/Ti多層膜試樣破壞特征類似，表層附近呈現(xiàn)出較嚴(yán)重的塑性變形和疲勞開裂特征。17-4PH不銹鋼基材抗90°大攻角固體粒子沖蝕性能差的原因歸于其硬度較低。TiAlN與Ti及不銹鋼基材彈性模量差異大，在固體粒子90°攻角沖蝕過(guò)程中多層膜界面之間及其與不銹鋼基材界面處應(yīng)力梯度很高，易于在界面處出現(xiàn)疲勞破壞，同時(shí)膜層較薄，斷裂韌度低，故抗SPE的耐久性差，短時(shí)即會(huì)被固體粒子沖透而露出基材，因此，TiAlN/Ti多層膜試樣的破壞特征與不銹鋼基材類似。激光表面合金化層的硬度雖然比不銹鋼基材高，但其韌度較低，故對(duì)17-4PH不銹鋼抗90°大攻角下固體粒子沖蝕性能的改善效果不顯著。HVOFWC-17Co涂層在90°攻角下的沖蝕破壞以WC顆粒和軟相Co的脫離為主要失效形式，未出現(xiàn)大尺寸的疲勞裂紋，表明WC-17Co涂層具有良好的抗開裂性能，此歸于該涂層具有良好的強(qiáng)韌綜合性能，表現(xiàn)為H3/E2比值大，因而抗90°大攻角沖蝕性能最好［3］。WC-17Co涂層中軟相Co增強(qiáng)了涂層的韌性，使其具有較高的斷裂韌度，同時(shí)硬質(zhì)WC顆粒對(duì)疲勞裂紋有止裂作用［20］，涂層的疲勞破壞主要發(fā)生在彈性模量差異較大的Co相與WC硬質(zhì)顆粒的界面處。

表4 表面改性層和鈦及不銹鋼的彈性模量E、斷裂韌度K IC和H3/E2比值Table 4 Themodulus of elasticity，fracture toughness and H3/E2 ratio of themodification layers，titanium and 17-4PH stainless steel

圖13 90°攻角下各沖蝕試樣截面形貌Fig.13 Section microscopicmorphology of test samples after erosion wear at90°jet angle (a)substrate; (b)TiAlN/Timultilayers;(c)laser alloyed coating;(d)thermal spray coating ofWC-17Co

本工作研究結(jié)果同時(shí)表明固體粒子的硬度(HG)與被沖蝕材料表面的硬度(HB)的比值HG/HB對(duì)材料的固體粒子沖蝕抗力有重要影響［6，11，12，19］(如表5所示)，即HG/HB愈小，材料的固體粒子沖蝕抗力愈高。然而對(duì)表面改性材料來(lái)說(shuō)，改性層的厚度和其固有的斷裂韌度也有十分重要的影響，尤其對(duì)于大攻角沖蝕來(lái)說(shuō)改性層的強(qiáng)韌綜合性能的作用十分顯著，表面沉積TiAlN/Ti多層膜的試樣雖然具有最小的HG/HB比值，但由于膜層的厚度較小，抗大流量砂粒沖擊的耐久性差，故不能很好地改善不銹鋼基材的SPE抗力。而表面噴涂HVOFWC-17Co層的試樣不僅具有較小的HG/HB比值，而且涂層厚度大，又具有良好的強(qiáng)韌綜合性能，因此表現(xiàn)出最好的抗小攻角和大攻角SPE性能。

表5 沖蝕粒子硬度H G與試樣表面硬度H B之比Table 5 The hardness radio of the erosion particles and the sample surfaces(H G/H B)

3 結(jié)論

(1)劃痕實(shí)驗(yàn)和30°小攻角下固體粒子沖蝕(SPE)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究表明，微切削是17-4PH不銹鋼及其表面改性試樣小攻角下固體粒子沖蝕破壞的主要失效機(jī)制。多沖疲勞性能和90°大攻角下固體粒子沖蝕實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究表明，多沖型疲勞破壞是17-4PH不銹鋼及其表面改性試樣大攻角下固體粒子沖蝕的主要失效機(jī)制。

(2)超音速火焰噴涂WC-17Co涂層硬度高、強(qiáng)韌綜合性能好，并且具有足夠的厚度，因此，能夠同時(shí)顯著提高17-4PH不銹鋼30°小攻角和90°大攻角下固體粒子沖蝕抗力。激光表面合金化處理層能夠改善17-4PH不銹鋼抗30°小攻角和90°大攻角下固體粒子沖蝕性能，但改善不銹鋼SPE性能的效果不及WC-17Co涂層。TiAlN/Ti多層膜雖然具有很高的硬度，但由于其厚度過(guò)小，且SPE過(guò)程中膜層界面處應(yīng)力梯度大，故不能明顯提高不銹鋼基材的抗SPE性能。

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