等離子噴涂Al2O3/ZrO2涂層耐磨性能研究

單春艷， 程立章，單寅鑫

(1.浙江工商職業(yè)技術學院 工學院,浙江 寧波 315012；2.黑龍江職業(yè)學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

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等離子噴涂Al2O3/ZrO2涂層耐磨性能研究

單春艷1， 程立章1，單寅鑫2

(1.浙江工商職業(yè)技術學院 工學院,浙江 寧波 315012；2.黑龍江職業(yè)學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

摘要：采用溶膠-凝膠方法將微米級顆粒團聚成含納米粒子的顆粒，利用等離子噴涂技術制備出了含有納米結構的A12O3/ZrO2涂層，并在MM—200摩擦磨損試驗機上進行了干摩擦試驗，對納米結構涂層和常規(guī)涂層的耐磨損性能進行了對比。通過對磨損后的磨痕形貌分析可知，納米涂層的耐磨損性能明顯好于傳統(tǒng)陶瓷涂層。傳統(tǒng)涂層的磨損機理主要是微裂紋和顆粒的剝落，而相同條件下納米涂層則由于涂層韌性的提高，幾乎不存在微裂紋，因而涂層具有較高的耐磨性。

關鍵詞：等離子噴涂；磨損機制；A12O3/ZrO2涂層

為減少機械磨損所造成的損失和危害，采用等離子噴涂表面改性處理，在基體材料上噴涂陶瓷涂層，以提高其耐磨性、與母體結合強度、隔熱性和表面修飾性。本文研究了含有納米結構的Al2O3/ZrO2涂層的磨損機制，并對納米結構涂層和常規(guī)涂層的磨損性能和機制進行了比較。

1試驗方法

1．1試樣的制備

試驗采用溶膠-凝膠法(sol-geI )，以氧氯化鋯(ZrOCl2·8H2O)和氯化釔(Y2O3和HCl反應制得)為原料，以氨水作為沉淀劑，采用正滴定法制得氫氧化鋯溶膠，而氫氧化釔以摻雜形式彌散于氫氧化鋯中，然后加入Al2O3微米級粉末和黏合劑，利用高剪切和超聲波分散協(xié)同作用使微米級粉末完全混合均勻后，烘干，煅燒，最后在箱式電阻爐中，以1 000 ℃燒結后破碎篩分，得到摻雜納米的等離子噴涂粉末Al2O3+20%ZrO2+(6%～8%)Y2O3(簡稱AZ20)。粉體形貌如圖1所示，從圖1中可知，溶膠的膠粒在干燥時不僅發(fā)生晶體的長大，而且發(fā)生了嚴重的團聚，團聚后呈現(xiàn)塊狀。試驗還選用微米Al2O3+20%ZrO2粉體，制備常規(guī)涂層。

圖1　AZ20 粉體

試樣基體為45鋼，尺寸為10 mm×10 mm×15 mm，將試樣表面先進行噴砂處理，然后應用等離子噴涂設備噴涂成磨損試樣，噴涂參數(shù)見表1。

表1　等離子噴涂參數(shù)

1．2試驗方法

1.2.1涂層硬度測量

涂層硬度是熱噴涂涂層的重要質量指標之一，它對涂層的耐磨性能有直接的影響。顯微組織的測定采用維氏硬度法，利用HVS—1000顯微硬度計測定維氏顯微硬度。測試載荷為9.8 N，保壓時間為20 s。由于涂層含有氣孔、氧化物和組織結構的非均質性，將每種噴涂后的試樣各取3個，測量點數(shù)≥5個，取其平均值為涂層硬度值。

1.2.2涂層的摩損試驗

將等離子噴涂涂層的磨損試樣置于MM—200摩擦磨損試驗機上，用環(huán)塊相對滑動干摩擦方式，以GCr15為磨擦副進行對磨(見圖2)。磨塊固定，通過磨環(huán)旋轉來實現(xiàn)相對滑動。磨塊的基體尺寸為10 mm ×10 mm×12 mm，相對滑動磨環(huán)的材料為GCr15，經(jīng)淬火回火處理，硬度為60 HRC。涂層試樣與對磨環(huán)對磨，對磨環(huán)的表面粗糙度Ra為1.5 μm，直徑為40 mm，磨擦載荷為30 kg，對磨時間為2 h，磨擦轉速為200 r/min。各涂層厚度均為0.40 mm，粘結底層厚為0.1 mm，涂層表面經(jīng)研磨粗糙后，用丙酮清洗擦干備用。

圖2　磨損試驗示意圖

試驗結束后，利用掃描電鏡對耐磨損表面的形貌進行分析。材料的耐磨性能經(jīng)計算后用磨損體積來衡量，減磨性能用摩擦因數(shù)來衡量。所有試驗數(shù)據(jù)均為3個試樣測試后取的平均值。

在摩擦過程中記錄下摩擦力矩，采用失重法測量材料的磨損，采用光電天平測定干磨損前后的試樣質量(精確到0.01 mg)，分別測定磨損失重和涂層磨擦痕跡寬度。磨損完畢卸載后，用測量精度為0.1 mm的金相顯微鏡和測微目鏡測量試塊上的磨痕寬度。

2結果與討論

2.1顯微硬度

測試5點涂層顯微硬度取平均值，AZ20涂層硬度為886 HV,常規(guī)涂層硬度為1 139 HV，由此可見，隨著納米粒子數(shù)量的增加，涂層的顯微硬度逐漸降低。這是因為噴涂材料晶粒尺寸變小后，弱強度的晶粒晶界大大增加，使涂層硬度減弱，而韌性增加。

2.2涂層顯微組織分析

涂層的顯微結構如圖3所示。從圖3a中可以看出，涂層中大部分為充分熔化的片層狀組織和存在適當比例的未熔區(qū)域或半熔態(tài)的納米團聚粒子；而由圖3b可以看出，涂層表面存在很多的生粉組織和相對較深較多的孔隙。由此可見，在相同的條件下，納米摻雜二氧化鋯涂層組織融合明顯高于微米二氧化鋯涂層。這主要是由于二氧化鋯熔點較高(達到2 710 ℃)，在噴涂過程中復合粉中微米粒子尚未完全熔化便被噴出，在涂層表面形成了一些生粉組織；而納米粒子粒度小，受熱均勻，融化好，所以涂層質量高。

圖3　涂層的顯微結構

2．3涂層的摩擦學特性

在載荷300 N時涂層的磨損情況如圖4所示。由圖4可知，常規(guī)涂層在開始磨損期間，磨擦因數(shù)起伏大，磨損相對嚴重，后期磨損才平穩(wěn)；而AZ20涂層相對與常規(guī)涂層的磨損比較平穩(wěn)，磨擦因數(shù)比較小。

圖4　涂層的磨損情況

AZ20涂層和常規(guī)涂層的磨損量變化曲線如圖5所示。由圖5可知，AZ20涂層磨損量明顯少于常規(guī)涂層，說明在相同條件下，摻雜二氧化鋯涂層的耐磨性明顯好于常規(guī)涂層，這是由于納米粒子二氧化鋯的加入降低了原料的顆粒度，提高了涂層的耐磨性能。在載荷為300 N的相同條件下，傳統(tǒng)涂層體積損失量明顯增大，說明其磨損機制發(fā)生了變化。

圖5　涂層的磨損量

在300 N載荷作用下，磨損后的磨痕表面顯微組織圖如圖6所示。由圖6可以看出，常規(guī)涂層磨損磨痕寬，磨削嚴重，出現(xiàn)了明顯的磨料磨損的梨溝特征，測試其顯微硬度為1 138 HV，明顯高于GCr15的硬度，即磨料變成了軟磨料，磨損表面出現(xiàn)塊狀剝落、犁溝, 這是因為形成微裂紋的同時，由于應力反復作用，使涂層產(chǎn)生了剝落[1]，這說明常規(guī)涂層磨損主要來自磨粒磨損和粘著復合磨損形式；AZ20涂層出現(xiàn)了少量的片狀剝落和塑性變形特征,犁溝已不明顯,說明磨粒磨損已經(jīng)不是其主要的磨損方式，AZ20涂層的硬度為886 HV,低于磨料硬度，在磨損表面上出現(xiàn)鐵質亮點，是被磨粒切削下來的摩擦副鐵屑粘結在涂層表面，可見，AZ20涂層磨損主要來自表面疲勞磨損，即在循環(huán)變化的接觸應力作用下,使鐵基涂層表面產(chǎn)生接觸應力,導致材料疲勞剝落而形成凹坑。

圖6　熱障涂層磨損SEM

AZ20涂層的磨損形式為磨料磨損和疲勞磨損,以疲勞磨損為主。放大后的熱障涂層磨損SEM如圖7所示。從圖7a可見大的網(wǎng)狀裂紋和顆粒的剝離；從圖7b中可以看到較多的細小顆粒和部分未熔的納米顆粒。與常規(guī)涂層相比，幾乎看不到微裂紋，這是因為在納米結構涂層中存在著起骨架作用的層狀組織，使涂層具有較高的耐磨性；另一方面存在較多的納米顆粒，使涂層的韌性得以提高，使得裂紋擴展能量被吸收，裂紋的擴展速度減慢，因而納米涂層較傳統(tǒng)微米涂層耐磨。

3結語

通過上述分析，可以得出如下結論。

1)用溶膠-凝膠法制備具備納米結構的AZ20涂層，涂層的韌性和耐磨性都得到了顯著的提高。在相同試驗條件下， AZ20涂層的耐磨性能明顯高于常規(guī)涂層。

2)常規(guī)涂層的磨損機理主要是磨料磨損，涂層存在一定的粘著磨損；納米摻雜制備的涂層的磨損形式為磨料磨損和疲勞磨損的綜合作用,而以疲勞磨損為主。

參考文獻

[1] 邸英浩，張建新，閻殿然，等.等離子噴涂納米Al2O3/TiO2涂層耐磨性的研究[J].金屬熱處理，2005(5):4-7.

責任編輯馬彤

Wear-resisting Performance Study of Plasma Spraying Al2O3/ZrO2Coating

SHAN Chunyan1， CHENG Lizhang1， SHAN Yinxin2

(1.Zhejiang Business Technology Institute， Engineering Institute, Ningbo 315012， China;2.Heilongjiang Polytechnic,Harbin 150025， China)

Abstract：Nano particles reunited into micro particles is using the sol-gel method， and a ceramic A12O3 /ZrO2 coating containing nano structure is prepared by the plasma spraying technology. The wear resistance of the coating is investigated using MM-200 wear teste， The wear resistance of the nanostructured coating and the traditional ceramic coating is demonstrated by the comparison of the data. The wear scar morphology of the nano coating is observed by scanning electron microscope. The wear resistance of the nano coating is obviously better than the traditional ceramic coating. The wear mechanism of the traditional coating is the micro crack and spalling of the particles, while that of the nanostructured coating is under the same condition. The microcrack is scarcely existed， and has good wear resistance.

Key words:plasma spraying， worn mechanism, A12O3 /ZrO2 coating

收稿日期：2015-02-09

作者簡介：單春艷(1969-)，女，高級工程師，碩士，主要從事表面工程等方面的研究。

中圖分類號：TG 1781；TB 331

文獻標志碼:A