硬質(zhì)涂層抗噴砂型沖蝕磨損研究現(xiàn)狀

詹華，李振東，汪瑞軍，王亦奇，張艷靜

（1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司新材料技術(shù)與裝備研究所, 北京 100083；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150001）

0 引言

受重載、高速、高溫、腐蝕、磨損、沖擊等苛刻服役環(huán)境的影響，高端裝備零部件壽命不足嚴(yán)重制約了裝備的穩(wěn)定性和可靠性，采用硬質(zhì)涂層涂覆能一定程度上延長零部件的服役壽命[1-3]，但在長期使用過程中，特別是在噴砂型沖蝕磨損環(huán)境下，涂層也存在損傷，甚至面臨失效的風(fēng)險(xiǎn)。

硬質(zhì)涂層雖然具有硬度高、抗磨損、耐高溫等特性，而且涂層中通常含有陶瓷類組分結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的抗酸堿腐蝕能力[4-6]，能夠較好的抵御外界環(huán)境的損害，但越來越多的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，在硬質(zhì)涂層服役過程中，特別是在噴砂型沖擊磨損條件下，硬質(zhì)涂層不可避免的存在損傷。本文主要從硬質(zhì)涂層抗噴砂型沖蝕磨損的應(yīng)用情況、影響硬質(zhì)涂層抗沖蝕性能的因素、抗沖蝕機(jī)理以及硬質(zhì)涂層抗噴砂沖蝕的動(dòng)力學(xué)模擬和沖擊試驗(yàn)等方面進(jìn)行分析和綜述，以期為高端裝備零部件表面硬質(zhì)涂層制造的科研和生產(chǎn)提供參考。

1 硬質(zhì)涂層在抗噴砂型沖蝕磨損方面的應(yīng)用

所謂噴砂型沖蝕磨損是指工件表面受到氣流攜帶小的、松散的流動(dòng)固體粒子的沖擊，粒子反復(fù)沖擊使得材料從表面逐漸被去除。噴砂型沖蝕磨損在許多行業(yè)和領(lǐng)域（如化工、石油、冶金、核電、火電等行業(yè)中用于運(yùn)輸?shù)墓艿?、風(fēng)機(jī)葉片等）中是造成關(guān)鍵零部件嚴(yán)重?fù)p壞的重要原因。這些損壞不但造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，有時(shí)甚至?xí)鹁薮蟮陌踩鹿?。在零部件表面采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)涂層可以減少?zèng)_蝕磨損，有效地保護(hù)零部件。針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等零部件，硬質(zhì)涂層的應(yīng)用效果較好。TiN 涂層是最早被批準(zhǔn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件的抗沖蝕磨損涂層，加拿大Liburdi 公司在1992 年將TiN 抗沖刷涂層應(yīng)用于直升機(jī)T64 和T58 發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片，與未涂覆涂層葉片壽命對比，葉片的壽命提升了2～3 倍[7]。法國的“幻影”飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片表面也鍍有TiN 涂層，該涂層葉片經(jīng)1600 小時(shí)使用后仍沒有破損。隨著多元涂層的發(fā)展，研究學(xué)者通過添加Al、Cr、Si、B、Ta、Hf、Y、Ce 等元素形成三元甚至多元硬質(zhì)涂層，進(jìn)一步改善了涂層的抗沖蝕磨損性能。如TiAlN涂層的抗沖蝕磨損性能比TiN 涂層高數(shù)倍[8-10]。德國亞琛工業(yè)大學(xué)Tobias Br?gelmann 在葉片表面制備的TiAlSiN，葉片的抗沖蝕磨損性能大幅提高[11]。MDS-PRAD、GE 公司將牌號為BlackGold的軟/硬層交替多層復(fù)合涂層應(yīng)用在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上，與單層的氮化物涂層對比，其斷裂韌性和抗沖擊性能得到顯著的提升[12]。此外，采用W及W 合金等作為中間層的新型TiB2多層結(jié)構(gòu)涂層，經(jīng)沖蝕磨損試驗(yàn)表明，其抗沖蝕磨損性能較Ti/TiN 多層膜提高了約兩個(gè)數(shù)量級[13,14]。據(jù)報(bào)道，使用硬質(zhì)涂層后，發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)在沙漠飛行環(huán)境的沖蝕磨損率從80%降低到3%左右[15]。

2 影響硬質(zhì)涂層抵抗噴砂型沖蝕磨損的因素

如果將硬質(zhì)涂層噴砂型沖蝕看作一個(gè)系統(tǒng)，那么在這個(gè)系統(tǒng)中主要包含了硬質(zhì)涂層、基體材料、砂粒以及推動(dòng)砂粒運(yùn)動(dòng)的氣流。因處于一個(gè)系統(tǒng)中的每個(gè)方面之間都會(huì)存在相互影響，因此硬質(zhì)涂層的性能、基體材料的性能、粒子特性和噴砂參數(shù)等都會(huì)對硬質(zhì)涂層抵抗噴砂型沖蝕磨損產(chǎn)生影響。

2.1 硬質(zhì)涂層力學(xué)性能的影響

硬質(zhì)涂層的硬度和斷裂韌性對噴砂型沖蝕磨損的影響較大[16-18]。硬質(zhì)涂層多為脆性材料，當(dāng)磨料粒子撞擊硬質(zhì)涂層時(shí)在撞擊區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，隨著撞擊力的增大，撞擊區(qū)域產(chǎn)生裂紋，裂紋交錯(cuò)連接后引發(fā)材料的脆性去除。由Evans 等人提出的彈塑性壓痕破裂理論可以看出，隨著硬質(zhì)涂層材料硬度的增大，涂層的沖蝕磨損減小，但也有不少研究者認(rèn)為硬度對脆性材料的沖蝕磨損影響是相對的，對韌性較好的硬質(zhì)涂層的沖蝕磨損困難。因而，實(shí)際的硬質(zhì)涂層在抵抗沖蝕磨損時(shí)，除硬度的影響外，還需要考慮韌性的影響[19]。從彈塑性壓痕理論的關(guān)系中可以看出，斷裂韌性對沖蝕磨損的影響高于硬度的影響，即硬質(zhì)涂層即使硬度較低，但如果韌性較高的話，也較難磨損。再者，當(dāng)沖擊角度較低時(shí)，硬質(zhì)涂層材料會(huì)產(chǎn)生粒子犁削。因此，既韌且硬的硬質(zhì)涂層材料較難被磨損破壞。

2.2 基體材料性能的影響

硬質(zhì)涂層依附于基體材料，基體與涂層之間熱膨脹系數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)的差異會(huì)造成涂層中殘余應(yīng)力的增加，繼而影響涂層與基體的結(jié)合以及涂層的硬度。此外，基體的硬度、彈性模量會(huì)對涂層的抗沖蝕磨損性能產(chǎn)生重要影響。但目前關(guān)于基體材料對硬質(zhì)涂層抗沖蝕磨損性能的影響存在的較大的分歧。鄒雪倩[20]的研究表明高硬度的基體材料表面涂層的沖蝕磨損率低于低硬度的基體材料；吳鳳芳[21]研究表明，同種涂層的沖蝕磨損率并不隨基體硬度的增加而增加，也不隨基體硬度的減小而降低，即基體的硬度與涂層的沖蝕磨損率之間沒有簡單而明顯的定量關(guān)系?；w的彈性模量與涂層的相當(dāng)時(shí)，涂層抗沖蝕磨損性能最好，兩者差別較大時(shí)，涂層的抗沖蝕磨損性能較差。

2.3 粒子特性的影響

粒子特性主要包括粒子形狀、硬度和粒度等。粒子的形狀一般有鋒利邊緣的不規(guī)則形狀和丸狀兩種。粒子形狀不同對處理后表面的形貌和光澤產(chǎn)生影響（如圖1 所示），經(jīng)鋒利邊緣的不規(guī)則粒子處理后，表面較為毛糙，同時(shí)因入射光線被折射，表面發(fā)暗；經(jīng)丸狀粒子處理后，表面為球狀面，入射光線僅部分被折射，表面呈啞光效果[22]。如果在相同的參數(shù)下進(jìn)行沖蝕，鋒利邊緣的不規(guī)則粒子的沖蝕磨損量大于丸狀粒子。

圖1 噴砂粒子的形狀對工件表面形貌的影響：(a)噴砂處理前；(b)鋒利邊緣的不規(guī)則粒子處理后； (c)丸狀粒子處理后[22]Fig.1 The influence of sandblasting particle shape on workpiece surface morphology:(a) before sandblasting; (b) sharp edges of irregular particles after sandblasting; (c) sphere particles after sandblasting[22]

粒子硬度對沖蝕磨損的影響一般用粒子硬度Hp 與硬質(zhì)涂層硬度H 的比值來表示。Hp/H≥1 時(shí)，硬質(zhì)涂層為切削、犁溝和薄片形式的破壞；當(dāng)Hp/H ＜1 時(shí)，破壞形式由粒子連續(xù)沖擊造成材料表面以小碎片的形式脫落。

粒子粒度是影響沖蝕磨損的重要因素。對于硬質(zhì)涂層材料，隨著粒子直徑的增大沖蝕磨損量增大。對于丸狀粒子，存在沖蝕磨損量的極大值，即隨著粒子直徑的增大，沖蝕磨損量先增大后減小。

2.4 噴砂沖蝕參數(shù)的影響

噴砂沖蝕參數(shù)主要有噴砂角度、粒子速度和噴砂時(shí)間等。粒子入射速度與硬質(zhì)涂層表面的夾角為噴砂沖蝕角度。噴砂沖蝕角度影響硬質(zhì)涂層對粒子撞擊的響應(yīng)方式。當(dāng)以鋒利邊緣不規(guī)則粒子小角度噴砂沖蝕時(shí)，硬質(zhì)涂層材料受到微切削作用，Bitter、Hutchings[23-24]等將材料沖蝕磨損方式定義為切削磨損/變形，當(dāng)以丸狀粒子小角度噴砂沖蝕時(shí)，硬質(zhì)涂層的響應(yīng)方式為耕犁變形。大角度噴砂沖蝕時(shí)，硬質(zhì)涂層的沖蝕磨損方式為變形磨損?？傮w來說，小角度噴砂沖蝕粒子的能量主要消耗于微切削作用，大角度噴砂沖蝕粒子的能量主要消耗于塑性變形[25]。

粒子速度和噴砂時(shí)間都與硬質(zhì)涂層沖蝕磨損量成正比。噴砂沖蝕時(shí)間越長，硬質(zhì)涂層的沖蝕磨損量越大。粒子速度受沖蝕距離和壓強(qiáng)的影響，噴砂距離的減小和壓強(qiáng)增大都能提高粒子速度，從而在不改變時(shí)間的前提下增大涂層的沖蝕磨損量。

3 硬質(zhì)涂層抗噴砂型沖蝕磨損機(jī)理的研究現(xiàn)狀

為了揭示固體粒子沖擊下材料破壞的機(jī)理，從1958 年起研究學(xué)者陸續(xù)提出了多種機(jī)理模型，但到目前為止，還沒有確定的理論和模型能全面解釋材料沖蝕的內(nèi)在機(jī)理，預(yù)測材料的抗沖蝕磨損性能[26]。在這些理論模型中，具有較深遠(yuǎn)影響的理論模型包括微切削理論、變形磨損理論和彈塑性壓痕破裂理論。對于硬質(zhì)涂層材料說，在低角度沖蝕的條件下材料的沖蝕機(jī)理主要是微切削引起的涂層材料剝落，在高角度沖蝕的條件下材料的沖蝕機(jī)理主要是沖擊引起的裂紋萌生及擴(kuò)展，成為疲勞源，導(dǎo)致涂層失效[27]（如圖2 所示）。吳鳳芳[19]通過對硬質(zhì)合金WC/TiC/Co、WC/Co和不銹鋼1Crl8Ni9Ti 基體上TiN、TiAlN、CrAlN和CrAITiN 涂層沖蝕磨損表面的宏觀形貌、微觀形貌及沖蝕坑斷面形貌分析，揭示了涂層的沖蝕磨損機(jī)理，主要表現(xiàn)為微切削和脆性疲勞斷裂。在對高速鋼基體上的TiN涂層的沖蝕磨損研究中，Henqvist 等[28]提出涂層沖蝕疲勞磨損機(jī)理，即涂層沖蝕一段時(shí)間后，隨粒子沖擊次數(shù)的增加，在涂層中產(chǎn)生橫向裂紋并擴(kuò)展，相鄰裂紋相互交叉，最終形成碎片而從涂層沖蝕表面脫落。Yang 等[8]對采用非平衡磁控濺射技術(shù)在鈦合金Ti6A14V 基體上沉積的TiN 涂層和TiAlN 涂層(厚度6 μm)進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)涂層材料的去除方式既有微切削，也有開裂。Yang 等[29]對在鈦合金Ti6A14V基體上磁控濺射沉積CrAlTiN涂層(厚度4.2 μm)的沖蝕磨損試驗(yàn)研究表明，沖蝕角低于45°時(shí)，CrTiAlN 涂層沖蝕表面有微切削痕，幾乎見不到開裂；沖蝕角高于45°后，涂層沖蝕表面有微切削痕，也有因涂層開裂造成的剝落坑。也就是說，在高角沖蝕條件下，CrTiAlN 涂層材料的去除包括兩種方式：沖蝕粒子的微切削和粒子沖擊造成的開裂。

圖2 噴砂型沖蝕磨損機(jī)理：(a)小角度沖蝕；(b)大角度沖蝕[27]Fig.2 Sand blasting erosion wear mechanism: (a) small-angle erosion; (b) large-angle erosion[27]

4 硬質(zhì)涂層抗噴砂型沖蝕磨損的動(dòng)力學(xué)模擬和試驗(yàn)情況

在對硬質(zhì)涂層進(jìn)行噴砂沖蝕模擬研究時(shí)，重點(diǎn)分析粒子沖擊涂層表面的動(dòng)態(tài)過程，氣流對粒子的加速作用通過賦予粒子初始速度進(jìn)行簡化。季楚凌[30]對多砂粒連續(xù)沖擊內(nèi)表面帶SiC 脆性涂層的管件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬研究，當(dāng)設(shè)置砂粒初速度15 m/s、粒徑100 μm 時(shí)，發(fā)現(xiàn)砂粒無論是以15°的低角度還是90°的高角度沖擊均只造成SiC 涂層的破壞，未對管件基材產(chǎn)生影響，同時(shí)涂層在低角度時(shí)更耐沖擊。張翼飛等[31]通過數(shù)值模擬的方式，建立了球形A12O3顆粒沖擊覆有TiN/Ti涂層TC4 基體的二維軸對稱模型，主要通過等效塑性應(yīng)變(PEEQ)這一指標(biāo)來衡量涂層厚度和層數(shù)對TC4 基體塑性變形的影響情況，研究結(jié)果表明，對于單層涂層厚度超過12 μm 后，涂層厚度增加基體的塑性變形減小，對于多層涂層，隨涂層層數(shù)增加基體的塑性變形減小。Bielawski[32]等利用ABAQUS 有限元軟件研究了多種不同結(jié)構(gòu)的TiN 涂層在單粒子沖擊下涂層表面的應(yīng)力變化情況，通過選擇不同的涂層結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)計(jì)算了涂層的應(yīng)力大小，結(jié)果表明在不同的涂層結(jié)構(gòu)中應(yīng)力值最大可以相差3.6 倍，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)可改善涂層表面的應(yīng)力分布，提高其抗沖磨損性能。Griffin[33]等對SiC 顆粒沖蝕Al2O3陶瓷涂層進(jìn)行仿真并建立了模型，直觀的觀察到了涂層表面沖蝕坑的深度和形貌，并計(jì)算出了涂層材料的沖蝕率。王宇飛[34]運(yùn)用有限元方法，對 Ti-6AI-4V 和SiC 陶瓷的沖蝕磨損性能進(jìn)行了分析，得出了沖蝕磨損性能隨沖蝕角、沖蝕速度、顆粒粒徑的變化規(guī)律。

國內(nèi)外研究學(xué)者針對不同的硬質(zhì)涂層開展了不同尺寸砂粒粒子、在不同沖擊角度等條件下的抗沖蝕磨損對比試驗(yàn)。如Yang 等[8]使用50 μm尖角狀A(yù)12O3對Ti6Al4V 基體表面TiAlN 涂層進(jìn)行沖擊，沖擊粒子的速度為60 或84 m/s，粒子的平均流量為1～2 g/min，試驗(yàn)表明TiAIN 抗沖擊磨損能力明顯優(yōu)于TiN。曹鑫等[35]在TC4 鈦合金表面制備了DLC、TiN 涂層，在試驗(yàn)平臺(tái)上考核試樣在30°、90°入射角度下的抗沖蝕磨損性能，砂粒的主要成分是SiO2，結(jié)果表明，在90°時(shí)TiN涂層因內(nèi)應(yīng)力小于DLC 涂層，抗疲勞破壞能力強(qiáng)，抗沖蝕磨損性能優(yōu)于DLC 涂層。Dobrzafiski等[36]在黃銅表面制備100 nm 厚Ti 過渡層，然后分別制備單層TiN、CrN、ZrN、TiAlN 及其多層涂層，使用以A12O3為主、平均尺寸70 μm 的顆粒，垂直沖擊涂層，結(jié)果表明：單層涂層Ti/TiN、Ti/CrN、Ti/ZrN、Ti/TiAlN 的抗沖擊去除性能好。Antonv 等[37]采用直徑0.1 mm 的SiO2顆粒在30°角度下沖擊單層TiN、單層TiCN、多層TiAlN、梯度AlTiN 和納米AlTiN/Si3N4超硬涂層，各涂層沖蝕磨損率按從小到大排序?yàn)門iN＜AlTiN/Si3N4＜AlTiN＜TiAlN＜TiCN。謝文偉等[38]使用模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，首先通過壓痕斷裂理論，建立硬質(zhì)合金基體表面涂層的沖擊模型，磨料顆粒設(shè)置為直徑100 μm 的剛性球體?；w表面涂層分別為3 μm 的TiAlN、CrAlN、TiN、CrN，設(shè)置速度60 m/s，垂直沖擊，結(jié)果表明失效單元的數(shù)目TiAlN＜CrAIN＜TiN＜CrN，即CrN 的抗沖擊去除能力相對最差，并通過試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)論與展望

(1) 噴砂型沖蝕磨損會(huì)造成零部件的失效，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)安全事故，表面涂層技術(shù)在零部件表面的應(yīng)用極大地降低了材料的沖蝕磨損率，延長了零部件使用壽命，節(jié)約成本。

(2) 為提升涂層材料的抗沖蝕磨損性能，不能只關(guān)注涂層的硬度，其韌性也是決定抗沖蝕性能的關(guān)鍵因素。涂層的抗沖蝕磨損性能還與基體材料的力學(xué)性能密切相關(guān)，二者熱膨脹系數(shù)和彈性模量的匹配有助于提高涂層在基體表面的結(jié)合力，進(jìn)而改善其抗沖蝕磨損性能。

(3) 隨著數(shù)字建模和仿真技術(shù)的發(fā)展，將實(shí)際工況條件下粒子的沖蝕磨損的類型和方式與動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合，不但有助于獲得適用的工藝參數(shù)，而且有益于深入探討各種涂層的沖蝕磨損機(jī)理，將為涂層損傷時(shí)的去除再制造提供了理論支撐，為高端裝備零部件的降本增效提供助力。