Ni元素對等離子噴涂鐵基涂層組織和摩擦磨損性能的影響①

張海瑜，王芙蓉，2，，杜雙明，曾志翔，蔡 輝，劉二勇

（1．西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；2．西安重裝銅川煤礦機(jī)械有限公司，陜西 銅川727000；3．中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波315201）

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度大、抗沖擊性好等優(yōu)點，是汽車輕量化的優(yōu)選結(jié)構(gòu)材料［1］，但耐磨性差等缺陷制約了其在發(fā)動機(jī)缸體等苛刻磨損部件的應(yīng)用［2］。等離子噴涂是最廣泛采用的熱噴涂技術(shù)，因取材范圍廣、沉積效率高等優(yōu)勢，用于制備各種功能涂層，如防腐蝕、抗磨損、抗熱障涂層等，在航空航天、機(jī)械和汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用［3］。鐵基涂層成本低廉，且摩擦磨損性能優(yōu)異，廣泛用于鋁發(fā)動機(jī)等離子噴涂［4］。但是，噴涂層普遍存在孔隙、氧化物夾雜、裂紋等缺陷［5］，且低合金的鐵基涂層還存在硬度低、耐磨性差等問題，不足以滿足苛刻工況發(fā)動機(jī)部件的工作需求。采用合金化技術(shù)向鐵基涂層加入增強(qiáng)相或合金元素，可有效提高涂層的綜合性能［6］。其中，Ni元素具有良好的韌性和耐蝕性［7］，還可以抑制鋼鐵的氧化過程［8］。有關(guān)研究同樣表明Ni元素可有效改善鐵基涂層性能［9－10］，但目前較少涉及鋁發(fā)動機(jī)噴涂鐵基涂層的結(jié)構(gòu)與性能研究。

本文在課題組熱噴涂XPT-512鐵基涂層基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用等離子噴涂技術(shù)在ZL109鋁合金表面制備不同Ni含量的XPT-512鐵基涂層，系統(tǒng)研究Ni元素對鐵基涂層微觀結(jié)構(gòu)、硬度及不同工況（干摩擦／油潤滑）下摩擦磨損性能和磨損機(jī)理的影響，以期為鋁發(fā)動機(jī)防護(hù)技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

1 實 驗

1．1 實驗材料與方法

選擇亞共晶ZL109鋁合金為基體材料，尺寸為Φ25 mm×8 mm。選擇Metco公司的XPT-512鐵基粉末（Fe-1．5Cr-1．4Mn-1．1C-0．1Ni）和北礦新材的純鎳粉作為噴涂原料，平均粒徑0．2 mm。涂層制備過程如下：

1）采用南京申運佳機(jī)械科技有限公司的SYJSYH-300三維多向混合機(jī)將XPT-512鐵基粉末和純鎳粉充分混合均勻，其中鎳粉加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為10%、30%，樣品對應(yīng)標(biāo)記為XPT-512-10Ni、XPT-512-30Ni。

2）對基體進(jìn)行預(yù)處理：依次用丙酮、酒精超聲清洗基材20 min，以除去表面油污和雜質(zhì)；然后用粒徑0．42 mm的棕剛玉砂進(jìn)行基體表面的噴砂粗化處理，噴砂壓力0．6 MPa、時間5 min，以增大基體表面粗糙度；隨后預(yù)熱基體，以減少基體與涂層之間的溫度差，消除熱應(yīng)力，提高結(jié)合強(qiáng)度。

3）采用Sulzer Metco的9MC等離子噴涂設(shè)備制備鐵基涂層。裝粉后，將預(yù)處理后的基材固定在內(nèi)孔夾具中，進(jìn)行噴涂。噴涂參數(shù)為：電壓70 V，電流400 A，氬氣流量42．3 L／min，氫氣流量7．05 L／min，送粉量42 g／min，噴涂距離100 mm。涂層粉末被熱等離子體熔化并射向靶基體，最終在基體表面固化形成涂層。

1．2 涂層表征

利用Bruker-AXSD8Advance型X射線衍射儀（XRD）分析涂層物相組成，選擇2θ范圍20°～90°，掃描速度5°／min。利用FEI Quanta FEG250熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）及自帶的能譜掃描儀（EDS）分析熱噴涂涂層樣品的表面、截面形貌和涂層磨損表面形貌及涂層成分分布。利用MVS-1000D顯微硬度儀測量等離子噴涂涂層及磨痕區(qū)域硬度（HV0．3），載荷為300 g，加載時間15 s，測量10次取平均值。利用UMT-3多功能高溫摩擦磨損試驗機(jī)（CETR，USA）進(jìn)行摩擦磨損試驗，測試工況為油潤滑（Mobil1TM 5w-40潤滑油）和干摩擦，滑動頻率為2 Hz，滑行行程5 mm，時間30 min，載荷為10 N、15 N、20 N、30 N。利用Alpha-Step IQ表面輪廓儀測量摩擦實驗后磨痕的截面輪廓、寬度、深度情況，并依據(jù)磨痕長度及截面輪廓計算涂層的磨損率。

2 實驗結(jié)果與分析

2．1 涂層的成分與結(jié)構(gòu)

圖1為XPT-512-Ni系涂層的XRD圖譜。由圖1可知，熱噴涂鐵基涂層主要由鐵素體（F）、滲碳體（Fe3C）和少量FeO組成。隨著Ni元素的加入，鐵基涂層出現(xiàn)了金屬Ni相，且隨著Ni含量增加金屬Ni相的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，表明Ni元素未與鐵基粉末發(fā)生反應(yīng)，而以單質(zhì)Ni相結(jié)構(gòu)存在。對比鐵素體（F）、滲碳體（Fe3C）和FeO等，單質(zhì)Ni元素具有更高的塑性，有助于改善材料的韌性，提高抗疲勞性能。

圖1 XPT-512-Ni系涂層的XRD譜圖

利用SEM和EDS對等離子噴涂鐵基合金涂層微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2和表1所示。由圖2可見，宏觀形貌表明等離子噴涂鐵基涂層均與鋁基體形成了良好的機(jī)械咬合，對比發(fā)現(xiàn)，Ni元素的加入降低了涂層孔隙率。微觀形貌分析表明，鐵基合金涂層主要由灰色基體相和深灰色第二相組成，呈典型的層狀結(jié)構(gòu)［11］。結(jié)合圖1和表1分析，深灰色（區(qū)域1）的氧含量高于灰色基體（區(qū)域2），為FeO相，說明高溫等離子噴涂過程中粉末部分熔化區(qū)域發(fā)生氧化，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)了明顯氧化現(xiàn)象。FeO不僅起到減摩作用，還可以改善涂層耐磨性能［12］。隨著Ni元素的加入，鐵基涂層增加了不連續(xù)的灰白色區(qū)域（區(qū)域4），而且隨著Ni含量增加灰白色區(qū)域增加，表明Ni元素促使γ-Ni固溶體的形成，有利于改善涂層性能［13］。

圖2 XPT-512-Ni系涂層微觀形貌

表1 涂層微觀區(qū)域EDS結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

進(jìn)一步利用圖像分析軟件分析涂層氣孔率，XPT-512、XPT-512-10Ni、XPT-512-30Ni涂層氣孔率依次為3．59%、1．95%、2．05%。由此可知，Ni的加入在一定程度上降低了粉末體系的熔點，完全熔融的粉末更易于鋪展開來將氣體排掉，從而使鐵基涂層的氣孔率降低［11］。鐵基涂層內(nèi)的氣孔起到兩方面作用：一方面導(dǎo)致涂層力學(xué)性能下降；另一方面起到容納磨屑和儲油的作用，可以減少磨屑顆粒引起二次劃傷和改善潤滑不充分條件下涂層材料的摩擦磨損性能［14］。因此，上述研究表明高塑性Ni元素有助于改善涂層的致密性。

2．2 涂層的力學(xué)性能

利用顯微硬度計測定等離子噴涂鐵基涂層的硬度。XPT-512鐵基涂層的硬度為524．47HV0．3，XPT-512-10Ni和XPT-512-30Ni涂層的硬度分別為516．42HV0．3和433．46HV0．3。這是因為軟金屬Ni相含量的增加促使涂層顯微硬度不斷降低［15］。一般材料硬度與耐磨性呈正相關(guān)，低硬度的Ni相含量增加，在改善材料韌性的同時可能會導(dǎo)致某些工況條件下涂層的耐磨性降低。

2．3 涂層的摩擦磨損性能

不同載荷、不同工況鐵基涂層的摩擦磨損性能如圖3所示。由圖3（a）可知，在油潤滑工況，隨著Ni元素的加入，XPT-512鐵基涂層摩擦系數(shù)有所降低，且不同載荷下XPT-512-30Ni涂層摩擦系數(shù)均最低，說明Ni元素可有效降低鐵基涂層摩擦系數(shù)；圖3（b）表明，干摩擦條件下3種涂層摩擦系數(shù)均在0．5左右，其中XPT-512涂層摩擦系數(shù)均最大，而XPT-512-10Ni涂層摩擦系數(shù)最低。Ni元素的加入改善了鐵基涂層的減摩性能，其中油潤滑條件XPT-512-30Ni涂層和干摩擦條件XPT-512-10Ni涂層具有最低的摩擦系數(shù)。

由圖3（c）～（d）可知，隨載荷增大，3種鐵基涂層磨損率均增大；隨著Ni元素的加入，不同載荷下涂層磨損率均較XPT-512涂層明顯降低。例如，油潤滑工況下，載荷30 N時XPT-512-30Ni涂層磨損率為0．063 73×10－6mm3／（N·m），較XPT-512降低了88．41%。干摩擦工況，不同載荷下XPT-512-10Ni涂層磨損率均低于XPT-512和XPT-512-30Ni涂層，當(dāng)載荷為10 N時XPT-512-10Ni涂層磨損率為1．316×10－6mm3／（N·m），較XPT-512涂層降低了約81．32%。上述分析表明，Ni元素改善了鐵基涂層耐磨性，其中油潤滑條件下XPT-512-30Ni涂層和干摩擦條件下XPT-512-10Ni涂層具有最低的磨損率。

圖3 不同工況下XPT-512-Ni系涂層的摩擦系數(shù)和磨損率

不同摩擦工況下鐵基涂層磨損前后的硬度如圖4所示。經(jīng)過摩擦磨損測試后，3種涂層硬度均明顯增大，尤其以干摩擦工況下XPT-512涂層的硬度增加更為明顯。例如，30 N干摩擦后XPT-512涂層硬度約為625HV0．3，較未摩擦前增加約19．17%；同時XPT-512-10Ni硬度達(dá)590HV0．3，XPT-512-30Ni涂層硬度約為574．5HV0．3。涂層在沖擊摩擦力作用下發(fā)生應(yīng)變強(qiáng)化，進(jìn)而改善了涂層材料的耐磨性，可以提高材料的服役壽命。

圖4 XPT-512-Ni系涂層表面與磨痕硬度

2．4 涂層的磨損機(jī)理

不同工況、不同載荷下XPT-512-Ni系鐵基涂層磨損形貌如表2所示。XPT-512鐵基涂層在油潤滑條件下的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，干摩擦條件以疲勞磨損為主［16］。隨著Ni元素的加入，油潤滑工況下XPT-512-10Ni涂層和XPT-512-30Ni涂層磨損表面均存在大量犁溝，且微犁溝數(shù)量隨載荷增大而增多，磨損機(jī)理為磨粒磨損；在干摩擦工況，XPT-512-10Ni涂層和XPT-512-30Ni涂層磨損表面存在大量剝落坑和撕裂現(xiàn)象，說明其磨損機(jī)理為黏著磨損和疲勞磨損；隨著載荷增大，涂層黏著情況更為明顯。因此，隨著Ni元素的加入，油潤滑條件下高韌性Ni元素有助于維持鐵基涂層磨損表面的完整性，進(jìn)而提高耐磨性。對于干摩擦條件，Ni元素的加入顯著改變了鐵基涂層的磨損機(jī)理，由疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp。Ni元素的加入改善了油潤滑／干摩擦工況XPT-512涂層的摩擦磨損性能，高Ni含量下涂層的油潤滑摩擦磨損性能優(yōu)異，而干摩擦工況下低Ni含量涂層中摩擦磨損性能較好。

表2 不同工況、不同載荷下XPT-512-Ni系涂層的磨痕形貌

表3和表4為不同載荷下經(jīng)過油潤滑、干摩擦磨損后XPT-512-Ni系涂層磨痕表面的EDS成分分析結(jié)果。XPT-512-Ni系涂層磨痕表面的氧含量變化規(guī)律與XPT-512涂層一致，即2種工況下磨痕表面的氧含量隨著載荷增大而增多，這說明摩擦過程涂層發(fā)生氧化，形成了具有一定硬度和厚度的氧化層，起到了一定減摩效果［17］。油潤滑條件下XPT-512-Ni系涂層磨損表面Ni元素富集，即涂層在摩擦力作用下形成有效的潤滑層，從而起到優(yōu)異的減摩作用，進(jìn)而改善了涂層的服役性能。

表3 油潤滑涂層磨痕區(qū)域EDS結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

表4 干摩擦涂層磨痕區(qū)域EDS結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

綜上所述，隨著Ni元素的加入，無論油潤滑還是干摩擦工況，XPT-512-10Ni和XPT-512-30Ni兩種涂層的磨痕寬度及剝落情況均少于XPT-512涂層，這說明Ni元素的加入提高了涂層耐磨性。Ni元素的加入使XPT-512鐵基涂層的磨損機(jī)理發(fā)生一定轉(zhuǎn)變：油潤滑工況下，XPT-512-Ni系涂層磨損機(jī)理以磨粒磨損為主；干摩擦工況下，XPT-512-10Ni和XPT-512-30Ni涂層磨損機(jī)理為疲勞和黏著磨損。Ni元素有效改善了XPT-512鐵基涂層的摩擦磨損性能，其中油潤滑工況下高塑性Ni元素改善了涂層表面潤滑層的完整性；而干摩擦工況，高塑性單質(zhì)Ni同樣減緩了鐵基涂層的疲勞磨損，進(jìn)而改善了涂層的耐磨性。

3 結(jié) 論

1）采用等離子噴涂技術(shù)制備了Ni含量10%和30%的XPT-512-Ni系鐵基耐磨涂層，涂層組織主要由鐵素體（F）、滲碳體（Fe3C）、少量FeO和Ni相組成。

2）隨著Ni含量增加，鐵基涂層硬度降低。無論油潤滑還是干摩擦工況，XPT-512-Ni系涂層都具有比XPT-512涂層更低的摩擦系數(shù)和磨損率。其中，油潤滑工況下，載荷30 N時XPT-512-30Ni涂層比XPT-512涂層磨損率降低了88．41%；干摩擦工況下，10 N時XPT-512-10Ni涂層比XPT-512涂層磨損率降低了81．32%。

3）Ni元素的加入改變了XPT-512鐵基涂層的磨損機(jī)理，XPT-512-Ni系涂層在油潤滑條件下以磨粒磨損為主，而在干摩擦條件下則以黏著磨損為主。