石墨相尺寸與分布對鎳-石墨可磨耗封嚴(yán)涂層摩擦學(xué)性能影響?

郭文勇 丁 飛 唐健江 張佳雪 韓增福 劉 明 白 宇

(1.西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司;2.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引言

可磨耗封嚴(yán)涂層已被廣泛用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，一般是采用熱噴涂的方法在機(jī)匣內(nèi)表面沉積，當(dāng)葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉尖刮削封嚴(yán)涂層，在涂層上形成凹槽，且不損壞葉尖，這樣在葉尖與機(jī)匣之間獲得理想的最小氣流間隙，從而可以顯著提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率，降低燃料消耗[1-5]。可磨耗封嚴(yán)涂層由于生產(chǎn)工藝簡單、修復(fù)和性能調(diào)整簡易、封嚴(yán)效果好，同時(shí)可以為機(jī)匣提供隔熱保護(hù)，并減少了高溫、高速燃?xì)庖鸬臄_動(dòng)或喘振等不穩(wěn)定現(xiàn)象而得到迅速發(fā)展。美國航空航天局（NASA）研究表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)各部件在使用可磨耗封嚴(yán)涂層后效率提高2%以上[6-8]。由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)特殊工況，使得可磨耗封嚴(yán)涂層要同時(shí)具備可磨耗與耐沖蝕兩種性能，這兩種性能相互矛盾，所以涂層的成分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要[9]。

可磨耗封嚴(yán)涂層大多為復(fù)合材料，一般由金屬相、非金屬相與孔隙組成，常用的金屬相材料有Ni,Co,Cu、Al等；非金屬相提供減磨和自潤滑功能，如石墨、六方氮化硼、聚苯酯等；孔隙可以起到降低涂層硬度的作用[10]。由美國美科公司生產(chǎn)的METCO 307是以鎳作為基體相，石墨作為潤滑相的一種材料，在425℃以下具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能[11]。

火焰噴涂與等離子噴涂（atmospheric plasma spraying,APS）已廣泛應(yīng)用于可磨耗封嚴(yán)涂層的制備。近年來，國產(chǎn)國效能超音速等離子噴涂（supersonic plasma spraying system,SAPS）也開始向可磨耗封嚴(yán)涂層制備方向發(fā)展[2,12]。研究表明：由于噴涂粒子在超音速等離子體射流中的破碎，與傳統(tǒng)APS涂層相比，SAPS涂層組織更加細(xì)化均勻[2,13]。鑒于以上研究背景，本文通過APS與SAPS兩種工藝制備Ni-C可磨耗封嚴(yán)涂層，研究涂層中石墨相尺寸對涂層摩擦學(xué)性能的影響，以期為高性能封嚴(yán)涂層的制備提供新思路。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料為2Cr13不銹鋼，Ni-C封嚴(yán)涂層成分為25wt.%石墨與75wt.%鎳（METCO307,OerlikonCorporate），在基體與涂層之間沉積NiCr合金粘結(jié)層。摩擦磨損試驗(yàn)中對磨材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，基體與對磨材料的成分組成如表1所示。

表1 化學(xué)成分表Tab.1 Chemical composition table%

1.2 試樣制備

2Cr13不銹鋼基體尺寸為45mm×20mm×5mm，對磨銷1Cr18Ni9Ti尺寸為Φ3×16mm，上下表面平行，封嚴(yán)涂層分別APS（METCO.9M）與SAPS（HEPJ II）噴涂制備，厚度約為2mm，噴涂參數(shù)如表2所示。噴涂結(jié)束后，采用磨床對涂層進(jìn)行后加工。

表2 面層噴涂參數(shù)表Tab.2 Plasma spray parameters for the surface layer

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 涂層結(jié)構(gòu)表征

利用掃描電子顯微鏡（美國FEI公司Q25鎢燈絲掃描電子顯微鏡）分析噴涂粉末與涂層結(jié)構(gòu)，利用Image-Pro Plus圖像分析軟件（Media Cybernetics，）統(tǒng)計(jì)兩種涂層中潤滑相的含量與單個(gè)潤滑相的平均尺寸（包括平均長度和平均寬度）。

1.3.2 摩擦磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)采用CFT-I型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司）進(jìn)行摩擦磨損性能測試。試驗(yàn)過程中涂層與對磨材料之間采用的是銷-塊式接觸，在室溫下進(jìn)行往復(fù)式無油滑動(dòng)摩擦。載荷設(shè)定為60N，滑動(dòng)摩擦往復(fù)頻率為8.3次/s，單次滑動(dòng)長度為5mm。采用三維激光共聚焦顯微鏡（VK-970，KEYENCE公司，日本）測量磨痕深度。

在掃描電子顯微鏡下觀察摩擦試驗(yàn)后涂層和對磨材料磨痕的表面形貌，在二次電子（SE）和背散射電子（BSE）兩種模式下進(jìn)行觀察分析，并且對涂層和對磨材料表面都進(jìn)行了微區(qū)能譜分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層的組織結(jié)構(gòu)

圖1 Ni-C粉末形貌Fig.1 SEM image of Ni-C powder

圖2 涂層的截面形貌Fig.2 Cross-sectional SEM images of coatings

圖1所示的是原始Ni-C粉末的外觀形貌。從圖1來看，粉末為典型的鎳包覆石墨粉，形狀不規(guī)則，平均粒徑范圍為45～90μm。圖2是噴涂態(tài)涂層的剖面形貌。從圖2可以看出，與APS涂層對比，SAPS涂層相對致密，空隙較少，且通過EDS分析，圖中黑色部分為石墨相，顏色較淺的部分為鎳基體相，石墨相在SAPS涂層中分布更加均勻，尺寸更加細(xì)小。采用IPP圖像分析方法對APS與SAPSNi-C涂層中的石墨潤滑相進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 單個(gè)潤滑相尺寸Fig.3 Size of single lubrication phase

圖像統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：APS Ni-C涂層中石墨相的平均長度與寬度分別為11.4μm和5.4μm，而SAPS Ni-C涂層則分別為10.1μm和4.6μm，且分布更為均勻。前期的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴涂粒子在超音速等離子體射流中會(huì)發(fā)生明顯的細(xì)化破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層中潤滑相尺寸降低[13]。

2.2 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 摩擦因數(shù)

圖4所示的是在60N載荷下，與1Cr18Ni9Ti進(jìn)行90min的摩擦磨損獲得的摩擦因數(shù)曲線。從圖4可以發(fā)現(xiàn)在如上摩擦磨損條件下，與APS涂層相比，SAPS涂層表現(xiàn)出更低的摩擦因數(shù)。分析原因在于長時(shí)間的摩擦磨損使得熱量累積效果增強(qiáng)明顯，粘著磨損加劇。從涂層中潤滑相平均尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，SAPS涂層中分布均勻的潤滑相尺寸相對較低，潤滑相之間的平均距離縮短，在涂層表面塑性變形過程中潤滑相之間易于接觸，進(jìn)而形成連續(xù)的潤滑膜，使得SAPS涂層與1Cr18Ni9Ti對磨時(shí)的摩擦因數(shù)減小，減摩效果更為明顯。

圖4 摩擦因數(shù)曲線（60N-90min）Fig.4 Friction coefficient curves(60N-90min)

2.2.2 磨損率

由于涂層磨痕深度較小，為準(zhǔn)確獲得質(zhì)量或體積磨損量帶來很大難度。因此，本研究中以磨痕深度表征涂層的磨損量，磨痕深度通過激光三維共聚焦顯微鏡多次測量后取平均值。以單位時(shí)間的涂層磨痕深度表示其磨損率，單位時(shí)間銷的長度損失表示對磨材料的磨損率，60N載荷下對磨90min得到的涂層和銷的磨損率分別如圖5和圖6所示，可以看出相同試驗(yàn)條件下SAPS涂層的磨損率與APS涂層相比較小，即SAPS涂層在自身耐磨性提高的同時(shí)，對對磨材料也起到了很好的保護(hù)效果。

圖5 涂層磨損率Fig.5 Wear rate of coatings

圖6 對磨材料磨損率Fig.6 Wear rate of counter parts

為了對涂層的可磨耗性進(jìn)行更為準(zhǔn)確的評價(jià)，現(xiàn)利用公式（1）將涂層與對磨銷的磨損率結(jié)合，獲得銷磨損比，即對磨銷磨損率與摩擦副總磨損率（涂層磨損率與銷磨損率之和）的比值。銷磨損比越小，可磨耗性越好。

1Cr18Ni9Ti對磨銷與APS及SAPS Ni-C涂層對磨時(shí)的IDR值分別為0.19與0.11，表明SAPS Ni-C涂層具有更為優(yōu)異的可磨耗性能。

圖7所示的是APS涂層與SAPS涂層在摩擦磨損過程中形成的塑性變形層與石墨潤滑膜，從中可以明顯看出，SAPS工藝噴涂Ni-C涂層表面塑性變形層更為致密，且石墨潤滑膜厚度較大。

圖7 涂層表面石墨潤滑膜與塑性變形層形貌Fig.7 Morphologies of graphite lubrication film and plastic flow layer on the surface of coating

兩種涂層與1Cr18Ni9Ti進(jìn)行摩擦?xí)r，涂層的磨痕形貌如圖8所示。發(fā)現(xiàn)涂層表面出現(xiàn)十分明顯的犁溝，即發(fā)生了磨粒磨損。同時(shí)在背散射圖像中，灰色部分主要成分是O，C和Ni，并發(fā)現(xiàn)有少量Fe的存在，形態(tài)呈破碎狀。EDS結(jié)果表明，兩種涂層和對磨材料之間存在物質(zhì)相互轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，圖中A，B處Fe的原子百分比分別為9.62%和1.86%，粘著磨損較為嚴(yán)重，APS涂層表面的粘著成分相對較多。涂層表面可以觀察到很多剝落區(qū)域，其主要成分是C，O和少量Ni。兩者對比發(fā)現(xiàn)，1Cr18Ni9Ti與APS涂層對磨時(shí)犁溝比較明顯，而SAPS涂層表面的犁溝和粘著成分較少，表面開裂現(xiàn)象明顯，且觀察到壓實(shí)現(xiàn)象，摩擦形式主要有磨粒磨損，粘著磨損以及氧化磨損。

圖8 兩種涂層與1Cr18Ni9Ti對磨后的磨痕形貌Fig.8 Surface morphologies of Ni-C coatings against 1Cr18Ni9Ti steel

2.2.3 磨損機(jī)制分析

總結(jié)可磨耗自潤滑封嚴(yán)涂層與對磨材料（銷）的磨損機(jī)制。一方面，在干摩擦條件下，隨著銷的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在載荷作用下涂層表面發(fā)生破壞-壓實(shí)-再破壞的過程，鎳和石墨在銷與涂層之間形成塑性流動(dòng)層；另一方面，在壓力與溫度的共同作用下，一些被擠壓出的石墨潤滑相粘附于銷的底部，同時(shí)在鎳-石墨塑性流動(dòng)層之上形成一層潤滑膜，SAPS涂層中由于潤滑相尺寸的降低以及分布均勻性的提高，帶來了涂層表面瞬時(shí)溫度的提高[13-15]，這樣在涂層表面塑性變形過程中各潤滑相易于接觸，進(jìn)而形成連續(xù)、面積較大的潤滑膜，潤滑效果得到提高。APS涂層組織結(jié)構(gòu)粗大，界面缺陷多，產(chǎn)生滑移的阻力大，再加上潤滑相分布比較集中，不容易在接觸表面形成連續(xù)均勻的潤滑膜，總結(jié)摩擦過程中潤滑膜的形成過程如圖9所示。

圖9 潤滑膜與塑性流動(dòng)層形成過程示意圖Fig.9 Schematic of formation of lubrication film and plastic flow layer:(a)APS coating(b)SAPS coating

3 結(jié)論

本研究采用大氣等離子噴涂（APS）與高效能超音速等離子噴涂（SAPS）沉積Ni-C可磨耗封嚴(yán)涂層，對比研究兩種涂層的摩擦學(xué)性能，獲得以下結(jié)論：

1）SAPS涂層在60N載荷下與1Cr18Ni9Ti對磨90min過程中平均摩擦因數(shù)與APS涂層相比下降約28%，對磨材料1Cr18Ni9Ti單位時(shí)間磨損率降低了57%。

2）1Cr18Ni9Ti對磨銷與APS及SAPS Ni-C涂層對磨時(shí)的銷磨損比分別為0.19與0.11，表明SAPS Ni-C涂層具有更為優(yōu)異的可磨耗性能。

3）Ni-C涂層在與1Cr18Ni9Ti對磨時(shí)主要表現(xiàn)為磨粒磨損與粘著磨損，且伴隨著氧化磨損。

4）與APS涂層相比，SAPS涂層中潤滑相尺寸更加細(xì)小，分布更加均勻，導(dǎo)致在摩擦磨損過程中，涂層表面更易形成連續(xù)的潤滑膜，引起摩擦因數(shù)的降低。

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