超音速等離子噴涂MoWCu合金涂層的性能

閆濤 *，劉貴民，朱碩，邱剛，杜林飛，惠陽

（1.陸軍裝甲兵學院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室，北京 100072；2.陸軍裝甲兵學院裝備保障與再制造系，北京 100072；3.陸軍裝甲兵學院教保處，北京 100072）

載流摩擦磨損是電磁軌道發(fā)射中軌道材料失效的主要原因之一。由于電磁軌道載流磨損中存在電流趨膚效應(yīng)和摩擦表面效應(yīng)，因此軌道的表面性能是克服失效的重要因素[1-3]。又因為層狀結(jié)構(gòu)的電磁軌道有利于增強電感梯度，所以采用表面涂層技術(shù)有利于提高軌道性能和延長使用壽命[4]。有研究表明，單層復(fù)合材料就可以較好地解決電磁軌道在發(fā)射中的“刨削”問題，而涂層技術(shù)是制備單層結(jié)構(gòu)最簡單易行的方法之一。在材料選擇上，鎢(W)具有抗刨削和劃痕的作用，鉬(Mo)則對劃痕和裂紋有良好的防護效果[4-5]，因此在軌道表面制備MoW合金涂層是提高電磁軌道性能的重要措施。為了提高涂層的導(dǎo)電性，可在MoW合金中加入適量金屬銅(Cu)，制備出MoWCu合金涂層。由于Mo和W都是高熔點金屬，普通的熱噴涂技術(shù)很難將其充分熔化，而超音速等離子噴涂技術(shù)具有焰流溫度高、噴涂速度快等特點，因此是制備MoWCu合金涂層的首選工藝。本文主要考察了采用超音速等離子噴涂制備的MoWCu合金涂層的性能。

1 實驗

1.1 材料

基體選用 10 mm × 10 mm × 10 mm 的 45CrNiMoVA 鋼(860 ～ 880 °C 淬火、420 ～ 440 °C 回火)，其主要成分為：C 5.66%、Ni 1.33%、Cr 1.04%、Mo 6.14%、Mn 1.55%、Si 0.66%，F(xiàn)e余量。硬度為443 HBW，抗拉強度為1 530 MPa。

噴涂粉末：(1)高密度Mo粉，純度≥99.9%，粒徑45 ～ 96 μm；(2)高密度W粉，純度≥99.9%，粒徑45 ～ 96 μm；(3)Cu粉，純度≥99.9%，粒徑45 ～ 96 μm。按 m(Mo)∶m(W)∶m(Cu)= 6∶3∶1把它們加入混粉器中進行機械混合，確?；旌戏垠w的均勻性。

1.2 涂層的制備

1.2.1 基體前處理(1) 砂紙打磨：用500目和1 000目砂紙各打磨約5 min，以去除表面氧化膜、鐵銹等雜質(zhì)。(2) 超聲波清洗：清洗介質(zhì)為乙醇，頻率為42 kHz，時間為10 min，以去除油污。

(3) 噴砂：采用24目棕剛玉，噴砂距離150 mm，角度60°，壓力0.6 MPa，時間1 min，以增大表面的粗糙度和活性。

(4) 預(yù)熱：采用等離子焰流對基體進行預(yù)熱，確?；w的溫度低于200 °C，以減小過冷度和殘余應(yīng)力。

1.2.2 噴涂工藝

采用裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室自主研發(fā)的HEP-Jet超音速等離子噴涂系統(tǒng)(溫度調(diào)節(jié)范圍1 000 ～ 11 000 °C，噴涂粒子速率240 ～ 800 m/s)。噴涂參數(shù)如下：主氣選擇氬氣，流量為110 L/min；輔氣選擇氫氣，流量為16 L/min；噴涂電流為345 A，電壓為145 V，冷卻氣體壓力為0.5 MPa，供粉速率為45 g/min，噴涂距離100 mm，選用1號嘴。

1.3 表征與性能測試

采用Nova NanoSEM450場發(fā)射型超高分辨率掃描電鏡(SEM)觀察涂層表面、截面的顯微形貌；使用X-Max 80型X射線能譜儀(EDS)測定涂層內(nèi)各元素的分布及質(zhì)量分數(shù)。

采用HVS-1000型顯微硬度計測量涂層的顯微硬度，載荷100 g，加載時間10 s。試驗前對試樣進行拋光處理，在涂層表面隨機選取6個點測顯微硬度，取其平均值。

采用CETR-3型多功能摩擦磨損試驗機進行試驗，摩擦副為直徑3 mm的Si3N4稀土陶瓷球，在無潤滑條件下采用高速線性往復(fù)式磨損形式，載荷15 N，頻率20 Hz，時間10 min。

采用YT-1圖像處理軟件，在同等放大倍數(shù)下隨機選取10個局部區(qū)域的SEM截面照片進行灰度處理和二值化操作，計算每個區(qū)域的孔隙率，取平均值作為涂層的孔隙率[6]。

用Lext OLS型高精度三維形貌儀測量不同條件下的摩擦試驗產(chǎn)生的磨痕的體積，進而計算磨損率。

采用CERSBOX四探針電阻儀測定涂層的電阻率，設(shè)標準退火銅的導(dǎo)電率為100%IACS，計算出涂層相對于標準退火銅的導(dǎo)電率，以表征涂層的相對導(dǎo)電性[7]。

按照GB/T 8642–2002《熱噴涂 抗拉結(jié)合強度的測定》采用CMT4105電子萬能試驗機測試涂層的結(jié)合強度。

采用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)分析涂層的晶粒，管電壓40 kV，管電流150 mA，掃描范圍 10° ～ 90°，掃速 10°/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的顯微硬度

硬度是材料抵抗局部變形或者破損斷裂的固有能力，是衡量涂層性能的重要指標。經(jīng)測試，基體顯微硬度的平均值為220.5 HV0.1，MoWCu涂層顯微硬度的平均值為486.2 HV0.1，后者比前者高1倍，與采用相同工藝制備的純Mo涂層的顯微硬度(482.3 HV0.1)相當，但略低于MoW涂層的顯微硬度(563.2 HV0.1)。

圖1 沿MoWCu涂層厚度方向的顯微硬度分布Figure 1 Microhardness distribution along the depth of MoWCu coating

圖2 MoWCu涂層截面的顯微形貌Figure 2 Sectional micromorphology of MoWCu coating

圖1顯示，涂層的顯微硬度明顯高于基體的顯微硬度。在同一厚度下測試同一涂層不同位置的顯微硬度，其值變化不大，說明涂層較為致密，成分分布也比較均勻，熔融粒子在基體表面鋪展得較為平整。另外，在基體/涂層界面處的硬度較低，隨著離界面的距離增加，涂層的顯微硬度明顯增大。這是因為在噴涂時，后續(xù)熔融粒子的動量沖擊在前面已經(jīng)鋪展開的粒子上，導(dǎo)致前面粒子鋪展得更為徹底，產(chǎn)生的機械結(jié)合力更強，在不斷“夯實”下，涂層的致密度越來越高(見圖 2)，所以截面硬度隨厚度增大而總體呈上升趨勢。但接近表面時涂層較為疏松，故硬度有所降低。

2.2 涂層的結(jié)合強度

經(jīng)測試，MoWCu涂層與基體的結(jié)合強度平均值為45.3 MPa，與一般等離子噴涂層的結(jié)合強度相當[8]。由截面能譜分析(見圖 3)可知，涂層與基體界面處的元素分布突變比較明顯，表現(xiàn)為機械結(jié)合。拉伸試驗后未發(fā)現(xiàn)涂層從基體脫落。從圖4可見，涂層的斷面比較均勻，有較多的韌窩，表現(xiàn)為韌性斷裂。

2.3 涂層的導(dǎo)電性

純Mo涂層的導(dǎo)電率僅為6.25%IACS。MoW涂層的導(dǎo)電率為6.12%IACS，比純Mo涂層略有下降，但相差不大。MoWCu涂層的導(dǎo)電率則為8.83%IACS，比純Mo涂層提高約2/5。

圖3 MoWCu涂層截面的元素分布Figure 3 Element distribution at cross section of MoWCu coating

經(jīng)典電子論認為金屬的電阻是電子與晶格碰撞的結(jié)果，金屬的導(dǎo)電率與電子的平均自由程、自由電子平均密度等有關(guān)系[9]。在涂層中，受顆粒粒徑和熔化程度以及孔隙率的影響，電子的平均自由程遠遠小于塊體金屬中電子的平均自由程，因此涂層的導(dǎo)電率大大減小[10]。與塊狀合金相比，噴涂層的孔隙率都較大，因此上述測試的 Mo基涂層的導(dǎo)電率都較小。而其中 MoWCu涂層的孔隙率(1.27%)最小，純Mo涂層和MoW涂層的孔隙率相差不大，前者為1.83%，后者為1.91%。

由表1可知，MoWCu中Cu的含量不少。由于熔點較低的Cu起到了填充作用，因此MoWCu涂層與MoW涂層[11]相比，成分分布比較均勻(見圖2)，從而降低了MoWCu涂層的孔隙率，延長了電子自由程，降低了涂層電阻，提高了涂層的導(dǎo)電率。

表1 圖2所示MoWCu涂層截面的元素含量Table 1 Elemental composition at cross section of MoWCu coating shown in Figure 2

另外，涂層的氧化程度也會影響涂層的導(dǎo)電率。由圖5可知，MoWCu涂層幾乎沒有被氧化，基本由Mo、W、Cu單質(zhì)相構(gòu)成，沒有化合物。其中Mo相和W相的峰極其接近，近乎重疊。粒子飛行的速度越快，粉末被氧化的可能性就越低。超音速等離子噴涂的焰流速度高達1 500 m/s，熔融粒子在飛行中幾乎接觸不到氧氣，而且采用惰性保護氣體(Ar)和還原氣體(H2)也有效地避免了噴涂粉末被氧化。因此涂層幾乎不存在被氧化的現(xiàn)象。

圖4 MoWCu涂層拉伸試驗后斷面的顯微形貌Figure 4 Micromorphology of the fracture surface of MoWCu coating after tensile test

圖5 MoWCu涂層的XRD譜圖Figure 5 XRD pattern of MoWCu coating

2.4 涂層的摩擦磨損行為

從圖6可以明顯觀察到，在相同摩擦條件下，Mo涂層的磨損體積最大，為4.6 × 105μm3/(N·m)，MoW涂層的磨損體積[4.1 × 105μm3/(N·m)]比Mo涂層略小，MoWCu涂層的磨損體積最小[3.8 × 105μm3/(N·m)]。

圖6 不同涂層磨痕的三維形貌Figure 6 Three-dimensional morphologies of wear scars on different coatings

涂層的摩擦磨損行為與涂層本身的微觀結(jié)構(gòu)、力學性能、摩擦副材料、摩擦環(huán)境等均有關(guān)系。由圖 7可知，Mo涂層的摩擦因數(shù)曲線最為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大幅度的上升或下降。MoWCu涂層的摩擦因數(shù)最低。MoW涂層的摩擦因數(shù)曲線較為動蕩，不斷起伏。究其原因，Mo涂層是單金屬涂層，成分分布均勻；而MoW涂層中存在MoW固溶體，硬度高于Mo，因此造成摩擦因數(shù)曲線相對不平穩(wěn)；MoWCu涂層由于存在Cu元素，相當于在高硬金屬中加入了硬度較低的“固體潤滑劑”，因此涂層的摩擦因數(shù)降低了。

圖7 不同涂層的摩擦因數(shù)在摩擦磨損試驗中隨時間的變化Figure 7 Variation of friction coefficients of different coatings with time during friction and wear test

由圖8a可知，Mo涂層的磨損表面存在或大或小的較淺的層片剝落坑，其內(nèi)可觀察到垂直于摩擦面的微孔隙，還有已卷起但未脫落的深色小層片。MoW 涂層(見圖8b)表面磨痕雖然有犁溝特征，但同時開始出現(xiàn)微裂紋，而且磨損次數(shù)越多，微裂紋密度越大；當局部裂紋形成閉環(huán)時，涂層發(fā)生微區(qū)脫落。MoWCu涂層(見圖8c)磨損表面布滿平行于滑動方向的相對細長的剝落坑，其間夾雜著一些細小的剝落點，剝落坑周邊隱約可見一些同樣平行于滑動方向的犁溝。由此可以判斷，Mo涂層以粘著磨損為主，同時帶有輕微的磨粒磨損；MoW涂層由于合金相的加強作用，在應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋和疲勞磨損現(xiàn)象；MoWCu涂層也主要以粘著磨損為主，涂層表面有明顯的因塑性變形而流動的痕跡，同時EDS分析(見表2)證明其伴有輕微的氧化磨損。

圖8 不同涂層摩擦磨損試驗后磨損表面的微觀形貌Figure 8 Microscopic morphologies of worn surfaces of different coatings after friction and wear test

表2 圖8c所示MoWCu涂層磨損表面微區(qū)的元素含量Table 2 Elemental composition at micro-area of worn MoWCu coating shown in Figure 8c

3 結(jié)論

(1) 采用超音速等離子噴涂技術(shù)在45CrNiMoVA鋼表面制備了MoWCu合金涂層，其顯微硬度平均值為486.2 HV0.1，與基體相比提高了1倍，與采用相同工藝制備的純Mo涂層的顯微硬度相當，但略低于MoW涂層的顯微硬度。

(2) MoWCu涂層與基體之間是機械結(jié)合，結(jié)合強度平均值為45.3 MPa。

(3) Cu的存在降低了MoWCu涂層的孔隙率，延長了電子自由程，使其導(dǎo)電率達到8.83%IACS，比純Mo涂層的導(dǎo)電率高2/5左右。

(4) 在相同的摩擦條件下，與純Mo涂層和MoW涂層相比，MoWCu涂層的磨損體積最小，摩擦因數(shù)最低，其磨損機制主要以粘著磨損為主，同時伴有輕微的氧化磨損。

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