高速電弧噴涂Al-Ni-Mm-Co涂層在脂潤(rùn)滑下的摩擦磨損性能

席 翔 夏延秋 曹正鋒 王駿遙, 梁秀兵 喬玉林

1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京，102206 2.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京，100072

高速電弧噴涂Al-Ni-Mm-Co涂層在脂潤(rùn)滑下的摩擦磨損性能

席 翔1夏延秋1曹正鋒1王駿遙1,2梁秀兵2喬玉林2

1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京，102206 2.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京，100072

針對(duì)鋁合金硬度低、耐磨性差的問(wèn)題，采用電弧噴涂分別在6061鋁合金基體表面噴涂Al和Al-Ni-Mm-Co涂層，采用顯微硬度計(jì)、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀分別對(duì)涂層硬度、涂層顯微結(jié)構(gòu)、涂層成分進(jìn)行分析。采用球-盤式往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)考察涂層在脂潤(rùn)滑下的摩擦學(xué)性能，并對(duì)磨痕形貌和表面主要元素進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，Al-Ni-Mm-Co涂層的減摩性和抗磨性能均優(yōu)于6061鋁合金和Al涂層，其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能歸結(jié)為摩擦表面形成的Al2O3、NiO、CoO等氧化保護(hù)層，主要的磨損形式為疲勞磨損。

鋁合金；鋁涂層；Al-Ni-Mm-Co涂層；電弧噴涂；摩擦磨損

0 引言

由于具有強(qiáng)度高、抗腐蝕、密度低、導(dǎo)電性良好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，鋁合金被廣泛用于汽車、航空航天、電力工業(yè)等領(lǐng)域[1]。但由于其硬度較低、耐磨性較差，從而限制了零件的使用壽命。眾多研究人員通過(guò)在鋁合金表面噴涂非晶、納米晶或準(zhǔn)晶涂層，來(lái)提高鋁合金材料的硬度及耐磨性能[2-4]。Al基非晶納米晶材料具有低密度、高強(qiáng)度和優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注[5-6]。KRASNOWSKI等[7]采用機(jī)械合金化法，制備出了Al83Fe17、Al85Fe15和Al80Fe14B6非晶粉末，并采用熱壓制成形的工藝，得到了鋁基非晶合金塊體，但該方法存在制備時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低等諸多不足之處。BRANAGAN等[8]采用高速電弧噴涂技術(shù)制備的Fe-Cr-B-Si-Mo-W-C-Mn非晶納米晶涂層具有良好的耐磨損性能。梁秀兵等[9]在AZ91鎂合金基體表面上制備出的Al-Ni-Y-Co非晶納米晶復(fù)合涂層的耐磨性能優(yōu)于Al涂層和AZ91鎂合金基體。王林磊等[10]在AZ91鎂合金基體上采用高速電弧噴涂技術(shù)制備的Fe-Cr-B-Si-Mn-Nb-W非晶納米晶涂層也具有較高的硬度和耐磨性。ROY等[11]對(duì)納米金屬間化合物相增強(qiáng)鋁基非晶納米晶復(fù)合材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該類材料相對(duì)于Al2O3摩擦副表現(xiàn)出了良好的耐磨損性能，但其研究報(bào)告沒(méi)有明確指出鋁基非晶納米晶合金中的晶化相與材料耐磨損性能之間的關(guān)系。此外，非晶納米晶涂層在脂潤(rùn)滑條件下的減摩抗磨特性研究較少。

基于此，本文采用低成本、高效率、操作簡(jiǎn)便的高速電弧噴涂技術(shù)[12]，利用機(jī)器人自動(dòng)化高速電弧噴涂設(shè)備，在6061鋁合金基體上制備Al-Ni-Mm-Co涂層和Al涂層，研究涂層的組織結(jié)構(gòu)及其在脂潤(rùn)滑下的摩擦磨損性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 涂層的制備

目前，對(duì)具有較強(qiáng)非晶形成能力的鋁基非晶態(tài)合金體系的研究主要集中在Al-TM-RE三元非晶體系。在此基礎(chǔ)上從經(jīng)濟(jì)角度考慮，采用了Al-Ni-Mm-Co材料體系。在Al-Ni-Mm-Co體系中，Al為材料的主要元素，Ni為材料的主要添加元素，屬于TM過(guò)渡族元素。Mm代表混合稀土元素，是La系元素的混合組成，包括La、Ce、Pr和Nd等元素,這些稀土元素原子半徑較大，能抑制晶化相的析出和生長(zhǎng)。Co可以在保證材料韌性不變的前提下提高材料的強(qiáng)度[13-14]。在粉芯絲材的制備過(guò)程中，選用Al帶作為絲材的外皮材料，填充含有Ni、Mm和Co元素的合金粉末，制備出了適用于高速電弧噴涂的Al基粉芯絲材，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 Al-Ni-Mm-Co粉芯絲材化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Tab.1 Chemical composition of the Al-Ni-Mm-Co coating %

試件的基體材料為6061鋁合金，化學(xué)成分見(jiàn)表2。將加工好的鋁合金基體材料放入丙酮中超聲清洗10 min，除去基體表面吸附的油污和雜質(zhì)。然后對(duì)基體材料表面進(jìn)行噴砂處理，使被噴涂試樣表面粗糙化。噴砂的沙粒直徑為700 μm的棕剛玉，噴砂氣壓為0.7 MPa，噴砂距離為80～100 mm，噴砂角度為70°～90°。將含有Al、Ni、Mm和Co元素的合金粉末按一定比例混合，然后經(jīng)過(guò)多輥連續(xù)軋制和多道連續(xù)拔絲減徑的方法制得直徑為2 mm的粉芯絲材。以Al涂層作為對(duì)比材料。將試樣固定在工作臺(tái)上，用日本安川電機(jī)(YASKAWA)公司生產(chǎn)的MOTOMAN HP20型機(jī)器人在其表面噴涂Al涂層和Al-Ni-Mm-Co涂層。噴涂參數(shù)如表3所示。

表2 6061鋁合金的主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Tab.2 Chemical compositions of 6061 aluminum alloy %

表3 噴涂參數(shù)Tab.3 Spraying conditions

1.2 涂層的顯微結(jié)構(gòu)和微觀力學(xué)性能表征

用EVO-18型掃描電子顯微鏡觀察涂層的表面形貌、截面形貌，并利用其配套的能譜儀(EDS)對(duì)涂層成分進(jìn)行分析。采用德國(guó)BRUKER AXS公司的D8型X射線衍射儀(XDR)分析涂層成分。采用圖像處理軟件計(jì)算涂層內(nèi)部的孔隙率，取其平均值。采用日本FUTURE-TECH公司的FM 700 型數(shù)字顯示顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層表面和沿涂層厚度方向截面的維氏硬度，加載載荷為100 g，保持時(shí)間為15 s，測(cè)試溫度為室溫。

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦試驗(yàn)在MFT-R4000高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)儀上進(jìn)行，摩擦的形式為球-盤往復(fù)式。試驗(yàn)所用摩擦副為AISI 52100鋼球，表面粗糙度為0.08 μm，硬度為7.05～7.57 GPa，直徑為5 mm。其他試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)載荷為5 N、10 N、15 N、20 N、30 N、40 N，試驗(yàn)頻率為5 Hz，摩擦行程為5 mm，時(shí)間為30 min。摩擦環(huán)境為脂潤(rùn)滑環(huán)境，試驗(yàn)用潤(rùn)滑脂為鋰基脂、進(jìn)口潤(rùn)滑脂。為減小試驗(yàn)誤差并保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，每個(gè)摩擦試驗(yàn)重復(fù)3次。摩擦試驗(yàn)結(jié)束后用光學(xué)顯微鏡測(cè)量磨痕寬度，用EVO-18型掃描電子顯微鏡和配套的EDS分析磨痕形貌和表面主要元素。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的組織與結(jié)構(gòu)

圖1所示為Al-Ni-Mm-Co涂層和Al涂層截面的微觀形貌。Al-Ni-Mm-Co涂層的厚度約為600 μm，Al涂層的厚度約為290 μm。從圖1a可以看出Al-Ni-Mm-Co涂層出現(xiàn)了較為明顯的分層，層與層之間堆積緊密。涂層中夾雜著孔隙等缺陷，從圖1b可看出Al涂層表面出現(xiàn)裂紋和孔隙等缺陷，利用圖像分析軟件測(cè)量得到Al-Ni-Mm-Co涂層、Al涂層的孔隙率，分別為2.46%和2.92%。

(a)Al-Ni-Mm-Co涂層

(b)Al涂層圖1 兩種涂層的截面形貌Fig.1 Morphologies of the cross-section of two coatings

(a)Al涂層

(b)Al-Ni-Mm-Co涂層圖2 兩種涂層的表面形貌Fig.2 Morphologies of two coatings

圖2所示為Al涂層和Al-Ni-Mm-Co涂層的表面形貌。從圖2a可看出，Al涂層的硬度較低，表面在打磨拋光后存在大量的細(xì)微劃痕，涂層表面出現(xiàn)裂紋等缺陷。圖2b中，Al-Ni-Mm-Co涂層的表面平整，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，這主要是由于納米晶結(jié)構(gòu)的涂層組織更為均勻、致密，氧化物含量低，并且涂層的非晶母相中彌散分布的α-Al納米晶等顆粒在一定程度上阻止了裂紋的擴(kuò)展。

Al-Ni-Mm-Co涂層中不同區(qū)域(圖3)的元素分析結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明，涂層主要由A區(qū)和C區(qū)的組織構(gòu)成，并伴有少量B區(qū)和D區(qū)的組織。A區(qū)主要為元素Al、Ni、Mm、Co和O，且Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.34%，說(shuō)明此處為Al元素富集區(qū)；B區(qū)和C區(qū)類似，組成元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按降序排列為Al、Ni、Mm、Co和O，且元素Al和Ni居多，說(shuō)明此處主要以鋁鎳化合物的形式存在，并伴有部分氧化物； D區(qū)主要組成元素為O、Al、Ni、Mm和Co，說(shuō)明此處存在氧化物相。

圖3 Al-Ni-Mm-Co涂層的元素分布Fig.3 The elements distribution of Al-Ni-Mm-Co coating

圖4為Al-Ni-Mm-Co涂層的XRD分析圖，由圖4可以看出，該涂層中，晶相與非晶相并存，在2θ=45°處出現(xiàn)了一個(gè)漫散射峰，這是典型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的XRD圖譜，說(shuō)明在高速電弧噴涂的過(guò)程中已經(jīng)形成了非晶相[9]。因此，Al-Ni-Mm-Co涂層是一種非晶相和晶相共存的合金涂層。根據(jù)Jade軟件，通過(guò)Verdon方法[15]對(duì)XRD圖譜進(jìn)行Pseudo-Voigt函數(shù)擬合，算出在空氣中噴涂的涂層非晶含量約為3.7%。涂層中出現(xiàn)非晶相是因?yàn)樵影霃讲煌暮辖鸪煞值脑O(shè)計(jì)，有助于合金體系的緊密堆積，原子半徑較大的混合稀土元素加入合金體系后，會(huì)與周圍相鄰的小尺寸原子形成類似網(wǎng)狀或骨架狀結(jié)構(gòu)，起到阻礙原子擴(kuò)散或原子團(tuán)遷移的作用，導(dǎo)致原子有序化程度降低，抑制晶體的形成和長(zhǎng)大，促進(jìn)非晶相的形成。噴涂過(guò)程中，熔融的液態(tài)粒子的瞬間凝固速率約為105 K/s，為非晶的形成提供了條件。

在圖4中發(fā)現(xiàn)較為明顯的晶化峰，說(shuō)明涂層在沉積過(guò)程中發(fā)生了晶化，經(jīng)過(guò)分析主要為α-Al相、AlNi相、Al3La相、Al3Ce相和Al13Co4相。非晶涂層中出現(xiàn)晶體相，一方面是因?yàn)榉蔷B(tài)是一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，在適當(dāng)條件下，會(huì)向低能形態(tài)轉(zhuǎn)變。在噴涂過(guò)程中，弧區(qū)溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁基非晶向納米晶轉(zhuǎn)變的溫度，因此熔滴在冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生去玻璃化過(guò)程，從而促使非晶相向穩(wěn)態(tài)納米晶相轉(zhuǎn)變。電弧噴涂是在空氣中進(jìn)行的，熔融的液滴會(huì)發(fā)現(xiàn)氧化，從而抑制非晶相的形成，最終形成的涂層是由非晶體相和多晶體相共同組成的復(fù)合涂層[16]。另外，根據(jù)Scherrer公式計(jì)算出涂層中α-Al納米晶晶粒尺寸為35～60 nm，這充分說(shuō)明所制備的涂層是非晶和納米晶的復(fù)合涂層。

2.2 涂層的硬度分析

圖5 涂層的顯微硬度Fig.5 Micro hardness of coatings

涂層的顯微硬度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，Al涂層的整體硬度低，而Al-Ni-Mm-Co涂層的整體硬度較高。因?yàn)橄⊥猎阡X合金中的強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)為有限固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及稀土化合物的第二相強(qiáng)化[17]。添加混合稀土后，Al和稀土生成的稀土化合物Al11La3等，大部分分布在晶界上，能阻止晶體滑移和變形，提高合金的強(qiáng)度[18]。并且，Al-Ni-Mm-Co涂層中由于彌散分布著Al2O3、NiO、CeO2等第二相，使得Al-Ni-Mm-Co涂層的硬度比Al涂層和6061鋁合金基體的大。由圖5可看出Al-Ni-Mm-Co涂層的硬度變化幅度較大，在噴涂厚度為0.35 mm時(shí)達(dá)到最大。這是因?yàn)樵诟咚匐娀娡客繉雍穸刃∮?.25 mm時(shí)空隙較多，組織結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，因而硬度相對(duì)較低；當(dāng)噴涂厚度達(dá)到0.35 mm時(shí)，空隙較少，組織相對(duì)致密，硬度增加；當(dāng)噴涂厚度超過(guò)0.35 mm后，涂層溫度升高導(dǎo)致氧化發(fā)生，氣孔增加，硬度反而下降[19]。Al涂層變化幅度較小，硬度一直增加，因?yàn)閲娡窟^(guò)程中產(chǎn)生的熱量使Al發(fā)生氧化反應(yīng)生成致密的氧化鋁氧化層。

2.3 涂層的摩擦學(xué)性能

表5為6061鋁合金基體、Al涂層和Al-Ni-Mm-Co涂層在脂潤(rùn)滑下的摩擦因數(shù)和磨痕寬度數(shù)據(jù)表。從表5可以看出，在低載荷(10N)、鋰基脂潤(rùn)滑試驗(yàn)條件下，Al涂層的平均摩擦因數(shù)達(dá)到0.25，當(dāng)載荷增大至20N時(shí)，出現(xiàn)潤(rùn)滑失效現(xiàn)象。相比之下，Al-Ni-Mm-Co涂層在10N時(shí)的平均摩擦因數(shù)為0.11。6061鋁合金和Al-Ni-Mm-Co涂層的平均摩擦因數(shù)隨著載荷的增大而增大，在同種試驗(yàn)條件下，Al-Ni-Mm-Co涂層的平均摩擦因數(shù)小于6061鋁合金的平均摩擦因數(shù)。在高載荷(40 N)時(shí)，鋰基脂潤(rùn)滑下的Al-Ni-Mm-Co涂層的平均摩擦因數(shù)為0.227，是10 N條件下的2倍，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)載荷超過(guò)潤(rùn)滑油膜的承載極限，導(dǎo)致了潤(rùn)滑失效。

表5 試樣的摩擦因數(shù)和磨痕寬度Tab.5 Friction coefficient and wear scar width of samples

從表5可看出，在低載荷(10 N)時(shí)，Al涂層的磨痕寬度明顯大于6061鋁合金和Al-Ni-Mm-Co涂層的磨痕寬度。當(dāng)載荷增大至40 N時(shí)，Al-Ni-Mm-Co涂層的磨痕寬度小于6061鋁合金的磨痕寬度。因?yàn)锳l-Ni-Mm-Co涂層的硬度比6061鋁合金、Al涂層的硬度大，因此Al-Ni-Mm-Co涂層表現(xiàn)出更為優(yōu)異的耐磨性。

載荷10 N、頻率5 Hz的脂潤(rùn)滑條件下，兩種涂層和基體材料的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。由圖6可見(jiàn)：在兩種脂潤(rùn)滑條件下，Al-Ni-Mm-Co涂層的摩擦因數(shù)變化平穩(wěn)；進(jìn)口潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下的Al涂層經(jīng)過(guò)22 min的初期磨合期后進(jìn)入穩(wěn)定磨合期。Al-Ni-Mm-Co涂層表面主要含NiAl基合金，因而具有良好的自潤(rùn)滑性能和較高的抗高溫氧化能力，添加稀土元素后，稀土的細(xì)晶強(qiáng)化作用不僅提高了涂層材料的硬度，同時(shí)也提高了涂層的塑韌性[20]。涂層的硬度越大，接觸點(diǎn)處越不容易出現(xiàn)焊合，摩擦因數(shù)也越小；涂層的屈服強(qiáng)度得到改善，降低了摩擦環(huán)境下涂層破損的幾率，摩擦因數(shù)的變化也較為穩(wěn)平穩(wěn)，因此Al-Ni-Mm-Co涂層具有良好的摩擦磨損性能。

圖6 試樣的實(shí)時(shí)摩擦因數(shù)曲線圖Fig.6 Friction coefficient-time curves of samples

圖7所示為Al涂層和Al-Ni-Mm-Co涂層在鋰基脂、進(jìn)口潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑下摩擦因數(shù)和磨痕寬度隨載荷的變化曲線。從圖7a可看出，Al涂層在兩種潤(rùn)滑脂下的摩擦因數(shù)均隨著載荷的增大而增大，這是由于Al涂層較軟，屈服強(qiáng)度較低，表面微凸體的變形和斷裂在剪應(yīng)力的作用下先后出現(xiàn)，致使Al出現(xiàn)粘著轉(zhuǎn)移，所以摩擦因數(shù)有所增大。當(dāng)實(shí)驗(yàn)的載荷增加至20 N時(shí)，出現(xiàn)了潤(rùn)滑失效的現(xiàn)象。從圖7b可看出，Al-Ni-Mm-Co涂層在兩種脂潤(rùn)滑下的摩擦因數(shù)均隨著載荷的增大而增大，但是與Al涂層相比，其承載能力更高。當(dāng)載荷為10N時(shí)，鋰基脂潤(rùn)滑下的Al涂層的摩擦因數(shù)為0.250，Al-Ni-Mm-Co涂層的摩擦因數(shù)為0.110。從圖7c可以看出，Al涂層在兩種脂潤(rùn)滑下的磨痕寬度均隨著載荷的增大而增大。對(duì)比圖7c、圖7d可看出，同種條件下Al-Ni-Mm-Co涂層的磨痕寬度比Al涂層的磨痕寬度小。相關(guān)研究表明，Co的加入使磨痕表面堆積的氧化物在硬質(zhì)鋼球的反復(fù)碾壓作用下最終釉質(zhì)化。氧化物釉質(zhì)層的形成，避免了鋼球和涂層材料的直接接觸，起到了明顯的減摩耐磨功效[21]。

(a)Al涂層摩擦因數(shù)

(b)Al-Ni-Mm-Co涂層摩擦因數(shù)

(c)Al涂層磨痕寬度

(d)Al-Ni-Mm-Co涂層磨痕寬度圖7 試樣的摩擦因數(shù)和磨痕寬度隨載荷的變化曲線Fig.7 Friction coefficient and wear scar width of samples

2.4 磨痕形貌和EDS分析

圖8所示為6061鋁合金基體、Al涂層和Al-Ni-Mm-Co涂層磨損表面形貌。圖9為圖8中A、B區(qū)域的能譜分析圖，表6所示為對(duì)應(yīng)的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鋁合金基體由于含有的雜質(zhì)較多，磨痕表面較Al涂層(見(jiàn)圖8b)更不平整，這是導(dǎo)致鋁合金基體的摩擦因數(shù)高且不穩(wěn)定的原因之一。對(duì)比圖8b、圖8d發(fā)現(xiàn)鋁合金基體磨痕表面的犁溝較Al涂層的少，這是因?yàn)?061鋁合金的硬度比Al涂層大。觀察圖8b發(fā)現(xiàn)了寬而深的溝槽。在摩擦力的作用下，硬而脆的氧化層容易破碎，使基體金屬裸露出來(lái)，造成基體的撕裂，氧化順著溝槽向內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致薄而脆的氧化膜不斷剝落生成碎屑，因此6061鋁合金基體的磨損形式主要是氧化磨損。從圖8b可以看出Al涂層的磨痕表面也比較粗糙，在滑動(dòng)摩擦的過(guò)程中，Al出現(xiàn)了明顯的黏著轉(zhuǎn)移傾向，在硬質(zhì)鋼球的對(duì)磨下，Al黏結(jié)到鋼球上，發(fā)生了黏著磨損，從圖8d可以發(fā)現(xiàn)大量的臺(tái)階，臺(tái)階越多，摩擦因數(shù)變化波動(dòng)就越大，Al涂層的黏著磨損傾向也越高。從圖8d還發(fā)現(xiàn)了裂紋、犁溝和剝落坑，圖9a為圖8d中A區(qū)域的元素分析圖，發(fā)現(xiàn)有O元素的存在，分析摩擦過(guò)程中，Al被氧化成Al2O3。磨損表面所形成的這層Al2O3氧化膜在鋼球的反復(fù)碾壓作用下出現(xiàn)了疲勞裂紋，部分區(qū)域氧化膜破碎形成剝落坑，破碎的碎屑附著在鋼球上并在摩擦過(guò)程中對(duì)涂層起到了切削的作用。因此，Al涂層的磨損形式主要為氧化磨損，其次為磨粒磨損和表面疲勞磨損。

(a)6061鋁合金

(b)a圖方框的放大圖

(c)Al涂層

(d)c圖方框的放大圖

(e)Al-Ni-Mm-Co涂層

(f)e方框的圖放大圖圖8 試樣表面磨損形貌Fig.8 Wore morphologies of samples

(a)圖8d中A區(qū)域的EDS分析結(jié)果

(b)圖8f中B區(qū)域的EDS分析結(jié)果圖9 磨痕的EDS分析Fig.9 EDS analysis of wear scar

從圖8c可以看出，Al-Ni-Mm-Co涂層磨損表面比6061鋁合金表面和Al涂層表面更為光滑。從表5可看出，Al-Ni-Mm-Co涂層的摩擦因數(shù)和磨痕寬度都比同等條件下6061鋁合金基體和Al涂層的摩擦因數(shù)和磨痕寬度要小。從圖8f可以看出裂紋較多但犁溝較淺，這是因?yàn)锳l2O3、NiO等增強(qiáng)顆粒的加入使得涂層的硬度提高，因而磨損表面不會(huì)出現(xiàn)黏著磨損的現(xiàn)象。圖9b為圖8f中B區(qū)域的元素分析圖，發(fā)現(xiàn)磨損表面存在Al、O、Ni、Co等元素，因此判斷摩擦過(guò)程中生成了Al2O3、NiO、CoO等氧化物。Ni和Co是高溫自潤(rùn)滑合金中常用的基材，Ni容易在磨損表面氧化生成具有較好可塑性和附著性的NiO層，起到減少磨損的作用。研究表明，Co的固溶強(qiáng)化作用對(duì)提高涂層的硬度也有一定的幫助。在摩擦反應(yīng)中，Co促進(jìn)了氧化物的生成，有利于形成連續(xù)的摩擦反應(yīng)層，避免了金屬與金屬的直接接觸[22]，起到了較好的減摩耐磨作用。摩擦過(guò)程中，磨損表面必會(huì)發(fā)生溫度升高，從而導(dǎo)致氧化的發(fā)生。稀土元素在氧化物膜與基體界面發(fā)生了偏聚，提高了氧化物膜的粘著力，細(xì)化了氧化物膜的組織，有利于提高氧化物的耐磨性和抗剝離能力，還使得涂層具有更優(yōu)的摩擦學(xué)性能[23]。從圖8f可以看到Al-Ni-Mm-Co涂層的表面分布著大量裂紋，這是因?yàn)橥繉邮艿捷d荷的周期性作用，在摩擦接觸區(qū)產(chǎn)生持續(xù)的交變應(yīng)力，在交變應(yīng)力下產(chǎn)生了大量的疲勞裂紋。因此，Al-Ni-Mm-Co涂層主要發(fā)生表面疲勞磨損。

3 結(jié)論

(1)采用自動(dòng)化高速電弧噴涂技術(shù)在6061鋁合金基體上成功制備了Al-Ni-Mm-Co非晶納米晶合金涂層。該涂層主要由α-Al相、AlNi相、Al3La相、Al3Ce相和Al13Co4相組成。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，Al-Ni-Mm-Co涂層在不同潤(rùn)滑脂條件下的摩擦因數(shù)和磨痕寬度均小于Al涂層和6061鋁合金基體，表現(xiàn)出更為優(yōu)異的減摩耐磨性能。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室制備的鋰基脂的摩擦學(xué)性能優(yōu)于進(jìn)口同類型潤(rùn)滑脂的摩擦學(xué)性能。

(3)通過(guò)對(duì)試樣的磨痕形貌及其表面元素分析發(fā)現(xiàn)，6061鋁合金主要發(fā)生嚴(yán)重的黏著磨損，Al涂層出現(xiàn)了剝落和相對(duì)輕微的黏著磨損。Al-Ni-Mm-Co涂層未見(jiàn)明顯的磨損，這主要是由于摩擦過(guò)程中生成的Al2O3、NiO、CeO2、CoO等保護(hù)層，起到了增強(qiáng)了涂層抵抗硬質(zhì)點(diǎn)犁削的能力和提高了涂層的耐磨性能的作用。

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(編輯 張 洋)

Tribology Performance of High Speed Arc Spraying Al-Ni-Mm-Co Coating under Lubrication Conditions of Different Greases

XI Xiang1XIA Yanqiu1CAO Zhengfeng1WANG Junyao1,2LIANG Xiubin2QIAO Yulin2

1.School of Energy and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Beijing,102206 2.National Engineering Research Center for Mechanical Product Remanufacturing,Academy of Armored Forces Engineering,Beijing，100072

Aluminum coating and Al-Ni-Mm-Co coating were formed on the surface of 6061 aluminum alloy by arc spraying to overcome deficients of hardness and anti-wear of aluminum alloy. Micro hardness, microstructure and components of the coatings were analyzed by micro hardness tester, scanning electron microscopy and X-ray diffraction, respectively. The tribology performances of two coatings lubricated by two types of greases were investigated by a ball-on-disk tribometer. The results show that the tribology performance of Al-Ni-Mm-Co coating is better than that of the 6061 aluminum alloy and aluminum coating, and the reason is attributed to the protective oxide film which is formed by Al2O3, NiO and CoO on the wear scar. The principal wearing form of the Al-Ni-Mm-Co coating is fatigue wear.

aluminum alloy; aluminum coating; Al-Ni-Mm-Co coating; arc spraying; friction and wear

2016-03-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575181,51575526)

TG174.442

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.02.014

席 翔，男，1993年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)槟湍ネ繉又苽?、?rùn)滑添加劑合成等。發(fā)表論文1篇。E-mail:xixiang199325@163.com。夏延秋(通信作者)，男，1964年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。曹正鋒，男，1990年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。王駿遙，男，1991年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院、裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生。梁秀兵，男，1964年生。裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心教授。喬玉林，男，1964年生。裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心教授。