超音速等離子噴涂鐵基非晶涂層組織結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)性能研究

白冰++王海軍++賈國(guó)平++劉明

摘 要：采用超音速等離子噴涂技術(shù)制備了鐵基非晶合金涂層，采用能譜分析儀對(duì)涂層成分進(jìn)行了分析，用掃描電子顯微鏡對(duì)粉末和涂層截面進(jìn)行了表征，采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層在干摩擦條件下和在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl鹽水溶液環(huán)境下的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，超音速等離子噴涂技術(shù)制備的鐵基非晶涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率僅為0.65%，且無(wú)明顯裂紋和缺陷，其平均顯微硬度能達(dá)到約850 HV0.3，涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度為54.4 MP。在干摩擦和鹽水介質(zhì)下，主要發(fā)生的是黏著磨損，摩擦系數(shù)小，磨損體積和磨損率也比較小。但在鹽水環(huán)境下，涂層的摩擦系數(shù)更為穩(wěn)定，磨損量更小。這說(shuō)明，鐵基非晶涂層在干摩擦和鹽水腐蝕介質(zhì)下都保留了較好的耐磨性，且在鹽水條件下，耐磨性更好，對(duì)于海洋防腐是一個(gè)重要的應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：鐵基非晶涂層；顯微硬度；孔隙率；干摩擦

中圖分類號(hào)：TG174.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.017

機(jī)械設(shè)備零部件表面的主要失效形式是磨損和腐蝕，每年由磨損和腐蝕直接導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，有70%～80%的機(jī)械設(shè)備是因?yàn)榱悴考砻婺Σ聊p而導(dǎo)致?lián)p壞報(bào)廢。選用較為貴重的耐磨、耐蝕零件作為機(jī)械設(shè)備的易損零件，雖然可以減小零件的損耗，延長(zhǎng)零件的壽命，但此方法將大幅增加工業(yè)的生產(chǎn)成本。將熱噴涂技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械零部件表面的強(qiáng)化及防護(hù)中，能夠極大地延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。由于涂層的厚度可控，從而能夠再制造因磨損、腐蝕等失效的機(jī)械零部件，成功實(shí)現(xiàn)了廢物回收利用，降低了原材料和能源的消耗，大幅度降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，顯著提高了經(jīng)濟(jì)效益。非晶合金材料具有許多晶態(tài)合金材料不具有的優(yōu)異物理、化學(xué)和力學(xué)性能，比如強(qiáng)度、硬度高，耐磨、耐蝕性能優(yōu)異等。但是，傳統(tǒng)方法制備的非晶合金受冷卻速度、尺寸等影響較大，在一定程度上限制了非晶合金的廣泛應(yīng)用。目前，利用熱噴涂技術(shù)制備非晶合金涂層受到了越來(lái)越多的學(xué)者的關(guān)注。與其他非晶合金涂層相比，鐵基非晶合金涂層既保持了優(yōu)異的耐磨、耐蝕性能，又擁有較高的性價(jià)比，適合在表面防護(hù)涂層材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

等離子噴涂技術(shù)以非轉(zhuǎn)移弧為熱源加熱加速噴涂粉末，由于等離子噴涂溫度較高，噴涂粒子速度較快，有利于非晶形成。Kobayashi K和Yano S等人采用等離子噴涂技術(shù)制備了200 μm左右厚的鐵基非晶合金涂層。研究發(fā)現(xiàn)，該涂層的耐磨性顯著高于基體。Cherigui M和FeraounH I等人采用大氣等離子噴涂技術(shù)（APS）分別制備了Fe2Si（B）和FeNb涂層。研究發(fā)現(xiàn)，采用合適的工藝參數(shù)能夠獲得非晶/納米晶涂層。此外，加入B元素有利于提高非晶的形成能力。向興華、穆曉東等人采用等離子噴涂技術(shù)制備了0.2～0.25 mm的鐵基非晶合金涂層，研究了該涂層的耐磨、耐蝕性能。結(jié)果表明，該涂層主要由非晶相及少量淬火核結(jié)晶相組成，與基體結(jié)合良好，結(jié)合強(qiáng)度在27 MPa左右，且孔隙率較低，氧化物含量較少，硬度較高。韓建軍、高振等人采用等離子噴涂技術(shù)在鍋爐管束的受熱表面制備了鐵基非晶涂層。此涂層孔隙率較低，腐蝕電位較高，具有較好的耐蝕性。潘繼崗、樊自拴等人分別采用超音速火焰噴涂和等離子噴涂技術(shù)在 0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體表面制備了一層鐵基非晶納米晶涂層和鐵基非晶合金涂層。研究發(fā)現(xiàn)，采用等離子噴涂技術(shù)制備的涂層不僅具有較高的硬度，而且還在涂層中彌散分布著納米顆粒，使得涂層的耐磨性優(yōu)于超音速火焰噴涂制備的涂層。

本文以鐵基非晶合金涂層為主要研究對(duì)象，采用自主研發(fā)的高效能超音速等離子噴涂設(shè)備制備，研究涂層的組織結(jié)構(gòu)和性能，對(duì)比不同環(huán)境對(duì)涂層耐磨及耐蝕性能的影響，為鐵基非晶合金涂層在表面工程防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣奠定一定的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層制備

圖1為HEPJet高效能超音速等離子噴涂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的裝置組成基本上與普通等離子噴涂設(shè)備相同，主要組成部分有電源、控制系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、送氣裝置、送粉裝置、噴槍及其他配套輔助設(shè)備。噴涂鐵基非晶粉末采用由北京桑堯技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的純鐵基非晶粉末（純度大于或等于99%，粒徑范圍為25～35 μm）。鐵基非晶粉末呈均勻的球形，流動(dòng)性較好，其微觀形貌如圖2所示?；w材料為調(diào)質(zhì)45#鋼（860～880 ℃淬火，420～440 ℃回火），其硬度約為30 HRC，試樣線切割三維尺寸為10 mm×5 mm×40 mm。利用KQ2200DB型超聲波清洗儀清洗除去基體表面的油污，最后采用24目的棕剛玉進(jìn)行噴砂處理。噴砂距離約為200 mm，噴射角度為60°～90°。噴砂結(jié)束后，停止供砂，并用余氣吹去基體表面殘留的砂粒。需要注意的是，必須在噴砂結(jié)束后的2 h內(nèi)進(jìn)行噴涂作業(yè)。圖3為鐵基非晶涂層粉末的EDS能譜圖。從能譜分析結(jié)果可以看到，粉末的主要元素有Mo、Cr、Fe和Co，還含有少量的Si和O元素。超音速等離子噴涂鐵基非晶涂層的最優(yōu)參數(shù)組合為氬氣流量為100 L/min，噴涂功率為55 kW，噴涂距離為90 mm，送粉率為25 g/min。

1.2 表征

采用Quanta 200型掃描電鏡（SEM）對(duì)粉末形貌和涂層微觀形貌進(jìn)行分析，并利用配套的Χ射線能譜儀（EDS）分析涂層微區(qū)的化學(xué)成分；采用MTS萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層結(jié)合輕度進(jìn)行分析，采用 OLMPUS 三維形貌儀對(duì)涂層的磨痕形貌進(jìn)行表征；采用 OLYMOUS 金相顯微鏡分析涂層的孔隙率，并用上海研潤(rùn)公司的 HVS-1000 型顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層的顯微硬度；采用美國(guó)的CETR 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，并選用球盤式方法在干摩擦條件下測(cè)試涂層的摩擦磨損性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層組織結(jié)構(gòu)分析

圖4所示為超音速等離子噴涂制備非晶涂層截面。從圖4（a）中可以看到，涂層整體光滑、平整、均勻、致密，且孔隙和雜質(zhì)較少。經(jīng)測(cè)試，涂層孔隙率低至0.6%，在單位噴涂次數(shù)下涂層平均厚度為356.8 μm。從圖4（b）可以看出，黏結(jié)界面未見任何粗大孔隙或裂紋，涂層與基體鉚接牢固、可靠，熔融的液滴狀粒子超音速飛行撞擊經(jīng)粗化的基體表面，迅速鋪展，并在冷卻后與基體產(chǎn)生良好的“機(jī)械鉚合”，再經(jīng)后續(xù)超音速態(tài)粒子的撞擊夯實(shí)作用強(qiáng)化，因而未出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)和結(jié)合界面存在孔隙或裂紋缺陷等。涂層結(jié)合強(qiáng)度平均值高達(dá)54.4 MPa，高于普通等離子噴涂涂所制備涂層的結(jié)合強(qiáng)度。圖5為鐵基非晶涂層的顯微硬度沿深度方向的分布規(guī)律?？梢?，調(diào)質(zhì)45#鋼的顯微硬度約為350 HV0.1，在涂層與基體結(jié)合處，顯微硬度明顯增大；在涂層內(nèi)部，其顯微硬度沿深度方向具有一定的波動(dòng)，但總體分布在800～870 HV0.3之間，涂層的平均硬度為823 HV0.3。涂層總體顯微硬度明顯高于普通鐵基合金涂層。

2.2 摩擦學(xué)性能

圖6為相同滑動(dòng)摩擦條件下，鐵基非晶涂層在干摩擦條件下和在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl鹽水溶液環(huán)境下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化情況。從圖6可以看出，在鹽水環(huán)境下，鐵基非晶涂層的摩擦因數(shù)更低，且更加穩(wěn)定，隨著載荷的變化，摩擦因數(shù)變化很小。這很可能是NaCl鹽水溶液起到了潤(rùn)滑的作用，避免了涂層和摩擦副之間的直接接觸，減小了摩擦阻力，在一定程度上降低了摩擦產(chǎn)熱的效應(yīng)。說(shuō)明，鹽水環(huán)境有利于降低涂層的摩擦因數(shù)，提升其耐磨性。

圖7為兩種條件下在相同的施加載荷下涂層的磨痕形貌。從圖7（a）（b）中可以看出干摩擦條件下涂層磨痕較寬，而且剝落較為嚴(yán)重，并且在磨痕的頭部黏著的痕跡比較明顯，涂層主要以發(fā)生黏著磨損為主。對(duì)涂層進(jìn)行線掃描來(lái)分析摩擦過(guò)程對(duì)涂層的影響，可以看到，經(jīng)過(guò)摩擦，與原先的涂層相比，氧元素含量增加。這說(shuō)明，在摩擦過(guò)程中發(fā)生了一定的氧化?？赡艿脑蚴峭繉又械蔫F元素與空氣中的氧氣發(fā)生了反應(yīng)。圖7（c）（d）是在鹽水介質(zhì)下涂層的表面磨痕的SEM照片。對(duì)比以上干摩擦條件下基體及涂層的磨痕形貌可以看到，在鹽水條件下，涂層表現(xiàn)出了很好的耐磨性，磨痕寬度是這三者中最小的，磨痕的頭部和尾部也幾乎沒有出現(xiàn)裂紋，對(duì)涂層基體的損傷最小。從圖7（e）可以看到，在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后，磨痕旁邊區(qū)域出現(xiàn)了一定含量的氯離子。這說(shuō)明，在磨損過(guò)程中，氯離子被加速滲透到了鐵基非晶涂層中，可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是2Al+3H2O→2Al（OH）3+3H2.摩擦中不斷產(chǎn)生熱量，加快了反應(yīng)的速度。圖8是磨痕的3D形貌。對(duì)比可以得出，鹽水條件下涂層的磨痕深度比干摩擦條件下淺，而且磨痕寬度較窄。表1為兩種條件下涂層的磨損體積和磨損率?？梢园l(fā)現(xiàn)，在鹽水環(huán)境下，涂層磨損量最小，磨損率最低。