等離子噴涂T800鈷基合金涂層的研究

朱朝剛，張建新，燕翙江，卜麗靜

（河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130）

等離子噴涂T800鈷基合金涂層的研究

朱朝剛，張建新，燕翙江，卜麗靜

（河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130）

采用等離子噴涂技術(shù)制備T800鈷基合金涂層.使用多晶X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并通過顯微硬度測(cè)試、常溫磨損性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)、400℃磨損性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了涂層的硬度和耐磨性能.實(shí)驗(yàn)表明，等離子噴涂T800鈷基合金涂層致密且含有Laves強(qiáng)化相.28～32 kW噴涂功率范圍內(nèi)，涂層含有Co與Co3Mo2Si，而在超過32 kW噴涂功率下涂層開始出現(xiàn)另一種Laves相CoMoSi.所制備涂層的磨損機(jī)理為磨粒磨損和疲勞磨損.

等離子噴涂；鈷基合金涂層；Laves相；涂層顯微硬度；Co；磨損機(jī)制

mechanism

0 前言

作為鈷基T系合金的代表，T800合金的組織為鈷基固溶體基體上析出大量富Si和Mo元素的Laves相. Laves相是六方密排晶體結(jié)構(gòu)，成分相當(dāng)于CoMoSi和Co3Mo2Si，固溶了大量Cr、Mo和Si的鈷基固溶體為亞穩(wěn)的面心立方結(jié)構(gòu)晶型.合金中的Cr主要起抗腐蝕作用，其中有1/3進(jìn)入Laves相，另2/3進(jìn)入鈷基固溶體基體中[1-5].關(guān)于T800合金的研究大多集中于材料的高溫抗氧化、耐腐蝕等方面.應(yīng)用T800鈷基高溫耐磨合金進(jìn)行表面強(qiáng)化的工藝主要為堆焊工藝與激光熔覆技術(shù)，目前利用等離子噴涂技術(shù)制備T800鈷基合金涂層的相關(guān)研究很少.等離子噴涂技術(shù)是利用等離子焰流，將欲涂覆的材料熔化（軟化）后，利用高速射流使之霧化成微細(xì)液滴或高溫顆粒，噴射到經(jīng)過預(yù)處理的表面上形成涂層的技術(shù).與其他技術(shù)相比，等離子噴涂工藝具有零件無變形、涂層種類多、工藝穩(wěn)定、涂層質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，并且金屬粉經(jīng)等離子焰流容易附著在基體上[6-7].因此采用等離子噴涂技術(shù)能否在基體表面制備出性能優(yōu)異的T800鈷基合金涂層具有重要的意義.

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 T800鈷基合金涂層的制備

采用經(jīng)噴砂處理的Q235鋼作為等離子噴涂T800鈷基合金涂層的基體材料，試樣尺寸為10 mm×10 mm×11 mm.先用Ni/Al粉末制備1層粘結(jié)底層以增加涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，工藝參數(shù)為：電弧功率30 kW，電弧電流500 A，槍距100 mm，送粉氣流量4 L/min，Ar氣流量70 L/min，H2流量120 L/h，粘結(jié)底層厚度為100～200 μm.噴涂所用T800原料粉末由上海司太立公司提供，粉末為球形，平均粒徑65 μm，其成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）列于表1.

表1 T800鈷基粉末的成分%Tab.1 Component composition of Tribaloy T800 powder

采用型號(hào)為GP-50B型等離子噴涂設(shè)備制備T800涂層.工藝參數(shù)為：電弧功率28～32kW，電弧電流500 A，槍距100 mm，送粉氣流量4 L/min，Ar氣流量70 L/min，H2流量120 L/h，制備的涂層厚度為300～500 μm.

1.2 T800鈷基合金涂層的表征

涂層試樣經(jīng)砂紙磨平并拋光，置于200 mL稀HCL，30 g CuSO4和100 mL去離子水的水溶液中侵蝕10 s.采用光學(xué)顯微鏡和PHILIPS XL30/TPM型掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscopy，SEM）觀察涂層的顯微組織，XRD檢測(cè)采用PHILIPS X-Pert MPD型（鉬靶）X-射線衍射儀對(duì)材料進(jìn)行物相鑒定.

采用HXD-1000數(shù)字顯微硬度儀加載載荷0.98 N，保持15 s測(cè)試涂層硬度.采用SFT-2M銷盤式磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層的常溫摩擦性能，磨球采用直徑為4 mm的GCr15鋼球，加載載荷15 N，轉(zhuǎn)速400 rad·min-1，時(shí)間30 min.高溫磨損實(shí)驗(yàn)采用MG-2000型磨損試驗(yàn)機(jī)，工作溫度為400℃，對(duì)磨盤采用直徑為100 mm的GCr15圓盤，加載載荷200 N，轉(zhuǎn)速300 rad·min-1，磨損時(shí)間50 min.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 涂層的結(jié)構(gòu)與顯微組織

圖1a）為T800粉末XRD衍射圖譜，原始粉末主要由Co與Co3Mo2Si組成.圖1b）為噴涂功率28～32kW所得到的涂層的XRD圖譜，3種噴涂功率下涂層都含有Co與Co3Mo2Si.噴涂功率為32 kW，涂層開始出現(xiàn)另1種Laves相CoMoSi.這說明隨著噴涂功率的升高，等離子噴涂T800鈷基合金涂層中生成了另1種Laves相CoMoSi.

圖1 等離子噴涂T800鈷基合金粉末與涂層的XRD衍射圖譜Fig.1 XRD patterns of the T800 powder and plasma sprayed coating

圖2為噴涂功率32kW時(shí)涂層的截面形貌，涂層呈層片狀組織，致密性良好.從圖2b）中看出涂層與基體間存在1條明顯的分界線，分界線比較曲折，有部分呈齒牙狀態(tài).這說明在等離子弧高能熱源的作用下，涂層與基體之間為機(jī)械結(jié)合.

2.2 涂層的硬度和斷口形貌

涂層中含有硬質(zhì)相與軟質(zhì)相，由于各項(xiàng)所占的比例難以確定造成涂層的不均勻性，導(dǎo)致涂層硬度的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)明顯的分散性.因此要想得到涂層較為客觀的硬度值，數(shù)據(jù)樣本盡可能的多.本文對(duì)每組涂層的20個(gè)不同位置的硬度值進(jìn)行測(cè)定，取平均值作為硬度值.如圖3所示，T800鈷基合金涂層的硬度值在516～547 HV0.1之間，隨著噴涂功率增大，硬度值逐漸升高.功率為28 kW時(shí)，涂層中的硬質(zhì)相Laves相衍射峰較弱，硬質(zhì)相含量較低，所以28 kW功率下涂層硬度較低.隨著功率的增高涂層硬度升高這是由于涂層中的硬質(zhì)相衍射峰強(qiáng)度增大，硬度升高.噴涂功率從30 kW升至32 kW時(shí)涂層的硬度升高不明顯，這是因?yàn)橥繉又须m然出現(xiàn)另1種Laves相CoMoSi，但含量較低，所以硬度增高不明顯.

圖4是噴涂功率32 kW下涂層斷口形貌，可以看出涂層的斷口起伏較大，斷口凸凹不平，且存在較多的裂紋及撕裂棱，因此在斷裂過程中T800涂層屬于脆性斷裂.

圖2 涂層的截面形貌Fig.2 Section SEM morphologies of T800 coatings

圖3 不同功率下涂層的硬度Fig.3 The hardness of coatings under different power

圖4 涂層的斷口形貌SEMFig.4 The fracture morphology of coating

2.3 涂層的摩擦磨損性能

2.3.1 常溫環(huán)境下

圖5為在載荷200～400 N下噴涂功率32 kW的涂層的摩擦系數(shù)和磨損量.涂層摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相同，先增大后平穩(wěn)，在8 min中左右達(dá)到平衡值，并在該值附近波動(dòng)，涂層的摩擦系數(shù)約為0.47.摩擦過程分為2個(gè)階段：第1階段為跑合階段，摩擦系數(shù)隨著時(shí)間增加而迅速增大，這是由于涂層磨損試樣經(jīng)過拋光處理，表面光滑，所以磨損開始時(shí)摩擦系數(shù)較低[8].隨著磨損的進(jìn)行，涂層表面變得粗糙，摩擦系數(shù)迅速增大；第2階段為穩(wěn)定磨損階段，磨損系數(shù)基本保持穩(wěn)定，涂層處于均勻磨損階段.圖5d）為不同載荷下涂層的磨損量，隨著載荷的升高，涂層的磨損量在升高.

圖5 不同載荷下涂層的摩擦系數(shù)和磨損量Fig.5 Friction coefficient at different load and wear rate

圖6 涂層的磨損形貌Fig.6 Wear morphology of coatings

噴涂功率32 kW下載荷為200 N涂層的磨損形貌如圖6所示.磨損后涂層出現(xiàn)并列排布的犁溝狀劃痕特征，這是由于GCr15對(duì)磨環(huán)沿著涂層表面滑動(dòng)時(shí)，涂層被擠壓產(chǎn)生了剝落的碎屑，這些碎屑又充當(dāng)了磨粒，因此涂層磨損機(jī)制有磨粒磨損.另外磨損過程中出現(xiàn)碎片剝落，這是由于磨損過程中形成了疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展形成了大裂紋產(chǎn)生了碎片剝落[9-10]，這表明磨損過程中出現(xiàn)了疲勞磨損.

2.3.2 400℃環(huán)境下涂層的磨損

400℃下載荷200 N噴涂功率32 kW下涂層的摩擦系數(shù)如圖7a）所示，摩擦系數(shù)在0.3處上下波動(dòng)，與室溫下摩擦系數(shù)相比，高溫環(huán)境涂層摩擦系數(shù)大幅下降，這是由于涂層受熱軟化使摩擦副表面趨于光滑，涂層剝落的磨粒在高溫下充當(dāng)了潤滑劑的作用.400℃下涂層的磨損量如圖7b）所示，隨著載荷的升高，涂層的磨損量在升高.

圖7 涂層在400℃下涂層的摩擦系數(shù)與磨損量Fig.7 Friction coefficient and wear rate of coating at 400℃

圖8為涂層經(jīng)400℃載荷200 N下磨損后的表面形貌，涂層中存在著較多的小凹坑，表面猶如“刷網(wǎng)”，硬質(zhì)磨粒壓入工件后經(jīng)滑動(dòng)摩擦在表面形成的溝槽及少量的平行的犁溝.平行得到犁溝是由于對(duì)磨件沿著涂層運(yùn)動(dòng)時(shí)沿滑動(dòng)方向形成劃痕而造成的，磨損后涂層表面出現(xiàn)了一些剝落坑，同時(shí)磨損表面存在明顯的犁溝，說明在磨損過程中涂層磨損表面發(fā)生了磨粒磨損.從磨損形貌可以看到撕裂的痕跡，這是因?yàn)樵谀Σ聊p過程中，接觸點(diǎn)承受的熱負(fù)荷的快速升高使得摩擦副表面局部超溫，從而在物體內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度，引起熱應(yīng)力.在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的雙重作用下，隨著磨損的進(jìn)行，使得接觸表面發(fā)生塑性變形，當(dāng)變形積累到一定量時(shí)，接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力就會(huì)在接觸面產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展相遇形成剝落[11-12]，所以涂層存在疲勞磨損.即在高溫磨損中，涂層的磨損機(jī)理為磨粒磨損和疲勞磨損.

圖8 涂層400℃下磨損后的形貌Fig.8 Morphology of coating after 400℃wear

3 結(jié)論

通過等離子噴涂制備T800合金涂層，觀察涂層的顯微組織和相結(jié)構(gòu)，對(duì)比不同噴涂功率得到的涂層的相組成，硬度和磨損性能，得出以下結(jié)論：

1）等離子噴涂制備T800鈷基合金涂層的組織為片層狀結(jié)構(gòu)，組織致密，與基體呈機(jī)械結(jié)合.T800涂層主要由Co基固溶體和分布其中的Co3Mo2Si組成.

2）在28～32 kW的噴涂功率范圍，32 kW制備的涂層硬度最好，出現(xiàn)了另一種Laves相CoMoSi.涂層的顯微硬度約為547 Hv0.1.

3）常溫和400℃環(huán)境磨損下涂層的磨損形貌都存在犁溝狀和碎片剝落特征，兩種環(huán)境下磨損機(jī)理都有磨粒磨損和疲勞磨損，常溫環(huán)境下涂層的摩擦系數(shù)在0.47左右，磨損量為0.003 5～0.005 1 g，在400℃環(huán)境磨損下涂層的摩擦系數(shù)為0.3左右，磨損量為0.005 8～0.007 3 g.

[1]李尚平，駱合力，曹栩.鑄態(tài)T800合金及其焊層的組織和高溫耐磨性[J].稀有金屬材料工程，2013，3（42）：603-605.

[2] 侯宇清，高甲生.鈷基合金等離子噴焊組織結(jié)構(gòu)和性能研究[J].機(jī)械工程材料，2004，5（28）：4-7.

[3] 徐錕，斯松華，何宜柱.激光熔覆鈷基合金和Cr3C2/Co涂層的組織性能[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21（3）：230-240.

[4]揭曉華，寧志堅(jiān)，羅天友.氣門錐面等離子噴焊司太立鈷基合金的組織與性能的研究[J].材料保護(hù)，2007，12（40）：12-14.

[5] 張守全，朱警雷，黃繼華.反應(yīng)等離子噴涂TiC/Fe涂層的摩擦磨損性能研究[J].材料工程，2009（7）：62-66.

[6] 鄧春明，周克崧，劉敏.大氣等離子噴涂涂層的性能[J].中國表面工程，2010，23（1）：19-23.

[7]龔志強(qiáng)，吳子健，呂艷紅.等離子噴涂納米Al2O3-13%TiO2涂層的研究現(xiàn)狀和展望[J].熱噴涂技術(shù)，2010，2（2）：1-6.

[8]張強(qiáng)，王海濤，黃繼華，等.反應(yīng)等離子噴涂陶瓷增強(qiáng)金屬復(fù)合涂層組織性能[J].中國表面工程，2008，21（6）：32-36.

[9]王瑾，趙亮.超硬涂層材料性能及其應(yīng)用研究[J].鑄造技術(shù)，2013，34（6）：683-685.

[10]李文興，雷阿利.鎳鋁材料狀態(tài)對(duì)火焰噴涂層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2012，33（5）：547-549.

[11]Borgioli F，Galvanetto E，Galliano F P，et al.Sliding wear resistance of reactive plasma sprayed Ti-TiN coatings[J].Wear，2006，260：832-837.

[12]Feng W，Yan D，He J，et al.Reactive plasma sprayed TiN coating and its trobological properties[J].Wear，2005，258：806-811.

[責(zé)任編輯 田 豐]

Study of plasma sprayed T800 Co-based alloy coating

ZHU Chaogang，ZHANG Jianxin，YAN Huijiang，PU Lijing
（School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

The T800 Co-based alloy coating was prepared by plasma spraying technique.The microstructure of the coating was analyzed by XRD and SEM.Hardness test,room temperature and 400℃wear tests were taken to value the hardness,wear resistance.Plasma sprayed T800 Co-based alloy coating is dense and contains Laves strengthening phase. Under 28～32 kW three groups of spraying power,all three coatings contain Co and Co3Mo2Si and under 32 kW the coating starts to appear another Laves phase CoMoSi.The main wearing mechanism of the coating is abrasive wear and fatigue wear.

plasma spraying;Co-based alloy coating;Laves phase;micro-hardness of coating;Co;wear resistance wear

TB333

A

1007-2373（2017）01-0077-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.013

2016-12-07

朱朝剛（1990-），男，碩士研究生.

：張建新（1956-），男，教授，博士.