等離子噴涂Al2O3 涂層與高硬配副的摩擦學(xué)性能研究

李榮澤，趙曉琴，段文山，安宇龍,3，周惠娣,3，陳建敏,3

（1.西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，蘭州 730070；2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730000；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049）

機(jī)械零部件的失效大部分是由摩擦磨損所致，而零部件的關(guān)鍵部位失效可能會(huì)造成很嚴(yán)重的后果[1-3]，因此材料的耐磨性對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的可靠性具有重要影響。隨著先進(jìn)表面改性技術(shù)的發(fā)展，在金屬基材表面制備高性能的功能涂層，可以改善金屬的摩擦學(xué)性能，使金屬的使用壽命得到很大提升。陶瓷材料由于具有優(yōu)異的化學(xué)和物理性能，在機(jī)械工程領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，人們也越來越重視對(duì)陶瓷涂層摩擦磨損性能的研究[4-7]。Al2O3涂層具有熔點(diǎn)高、硬度大、耐磨損、抗氧化等特點(diǎn)，在較為惡劣的環(huán)境下仍表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能[8-9]，被廣泛用作耐磨涂層。在金屬表面制備Al2O3陶瓷涂層的方法有很多，如電弧噴涂、激光熔覆、等離子噴涂等[10-13]。其中，等離子噴涂技術(shù)因具有焰流溫度高、對(duì)基體熱影響小、涂層厚度可控、噴涂材料種類廣等優(yōu)點(diǎn)，成為制備高熔點(diǎn)涂層材料常用的方法[14]。

然而機(jī)械部件的安全耐用性以及能耗和摩擦配副的力學(xué)性能密切相關(guān)，材料在不同摩擦配副下表現(xiàn)出不同的摩擦學(xué)特性[15]。謝紅梅等[16]分別以GCr15、Si3N4作為摩擦配副，研究了TiN 薄膜的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，由于摩擦配副硬度的差異，TiN 薄膜表現(xiàn)出不同的摩擦學(xué)特征。與較硬的Si3N4對(duì)偶摩擦?xí)r，磨損機(jī)制主要是磨粒磨損；而與GCr15 摩擦?xí)r，TiN薄膜表面幾乎沒有磨損，但是GCr15 對(duì)偶的磨損嚴(yán)重。鄭邵先等[17]研究了真空和CO2環(huán)境下，以Al 和ZrO2為摩擦副時(shí)類金剛石（DLC）薄膜的摩擦性能，研究發(fā)現(xiàn)，DLC 與ZrO2配副的摩擦性能均優(yōu)于與Al配副。R. Radhika 等[18]指出，在海水中，類石墨碳膜與Si3N4摩擦?xí)r，其摩擦系數(shù)和磨損率要低于與SiC、WC、Al2O3和ZrO2摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)和磨損率。

在各種不同工況條件下，零部件的摩擦配副材質(zhì)也是不盡相同，摩擦配副的選擇受到實(shí)際工況的影響，如溫度、材質(zhì)硬度、腐蝕介質(zhì)等。如一些設(shè)備的零部件不僅會(huì)受到嚴(yán)重的磨粒磨損，還會(huì)受環(huán)境影響的腐蝕磨損，而采用高硬度的材料作為摩擦配件可以減少腐蝕磨損，這是解決這一問題行之有效的方法。而一般情況下，陶瓷材料具有硬度大、耐腐蝕等特點(diǎn)，因此很有必要研究高硬配副下Al2O3涂層的摩擦學(xué)性能。在本文中，用大氣等離子噴涂工藝制備了Al2O3涂層，探究了以Si3N4和WC 為對(duì)偶，在載荷為1、3、5 N 下的摩擦學(xué)性能，著重討論了Al2O3涂層與不同摩擦配副在不同載荷下的磨損機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層制備

噴涂粉末采用Al2O3（15～45 μm，Metco 105NS，USA），基材選用316L 不銹鋼（φ25 mm×7.8 mm）。噴涂前，首先對(duì)金屬基材進(jìn)行噴砂處理，然后將其放入丙酮中超聲清洗10 min。該處理是為了增強(qiáng)熔融粒子與金屬基材的機(jī)械咬合，從而提高涂層與金屬基材的結(jié)合強(qiáng)度。

由于陶瓷涂層和金屬基材的熱膨脹系數(shù)有較大差異，為了改善陶瓷涂層與金屬基材之間的結(jié)合力，首先，利用超音速火焰噴涂設(shè)備（HVOF，DJ-2700，USA）在316L 不銹鋼表面噴涂一層NiCoCrAlTaY（Ni-23Co-20Cr-8Al-4Ta-0.6Y，Gas Atomized，33～43 μm，Amdry 997，Sulzer Metco，USA）金屬過渡層，過渡層厚度約100 μm，噴涂參數(shù)見表1。然后，再用等離子噴涂系統(tǒng)（APS，UnicoatPro，USA）噴涂制備Al2O3陶瓷涂層，所制備陶瓷涂層的厚度約為320～400 μm，具體的噴涂參數(shù)見表2。

表1 超音速火焰噴涂NiCoCrAlTaY 參數(shù)Tab.1 Parameters of supersonic flame spraying NiCoCrAlTaY

表2 大氣等離子噴涂Al2O3 參數(shù)Tab.2 Parameters for APS s praying Al2O3

1.2 Al2O3涂層的組織與性能

采用掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-5601LV，Japan）觀察粉末和涂層的微觀結(jié)構(gòu)以及磨痕表面的組織形貌，同時(shí)采用X 射線能量色散譜儀（EDS）表征磨痕表面元素分布及元素含量。利用聚焦離子束（FIB，Heliosnanolab 600）制備了涂層的截面樣品。采用X 射線衍射儀（XRD，D/Max-2400，Germany）表征了噴涂粉末與涂層的物相組成。用三維輪廓儀（MicroXAM-800，USA）測(cè)量了涂層的表面粗糙度和磨痕的三維形貌。使用納米壓痕儀（CSM，NHT02-05987，Swiss）測(cè)量了Al2O3涂層以及摩擦副的硬度和彈性模量。利用奧林巴斯光學(xué)顯微鏡（OLYMPUS，Japan）對(duì)磨擦副磨損形貌進(jìn)行表征。磨痕內(nèi)部的成分用X 射線光電子能譜儀（XPS，PHI7502，USA）進(jìn)行表征。

1.3 摩擦磨損測(cè)試

用 CSM 摩擦試驗(yàn)機(jī)（CSM，Anton Paar，Switzerland）對(duì)涂層的摩擦學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，摩擦方式為球-盤往復(fù)摩擦。測(cè)試前，首先使用磨拋機(jī)對(duì)噴涂態(tài)的Al2O3涂層進(jìn)行拋光處理，然后將拋光好的涂層放入丙酮中，超聲清洗10 min。

摩擦測(cè)試條件為：在大氣環(huán)境下，分別以Si3N4球（φ6 mm）和WC 球（φ6 mm）作為摩擦對(duì)偶配副；載荷為1、3、5 N；摩擦軌跡為線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，速度7 cm/s，振幅2.5 mm，滑動(dòng)距離200 m；環(huán)境濕度約為(31±5)%。

在不同磨損條件下，Al2O3涂層的磨損率（K）可由公式（1）計(jì)算。

式中：磨損體積ΔV由非接觸式三維輪廓儀測(cè)得，mm3；F是施加的載荷，N；L是摩擦距離，m。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的組織與結(jié)構(gòu)分析

圖1 是Al2O3粉末的SEM 形貌和Al2O3粉末、涂層的XRD 譜圖。從圖1a 中可以看出，噴涂所用的Al2O3粉末呈現(xiàn)出無規(guī)則的塊狀形貌，粒徑為 15～45 μm，粒徑相對(duì)較小。由于等離子噴涂過程中焰流溫度可達(dá)上萬攝氏度，當(dāng)小粒徑粉末通過焰流時(shí)，粉末能夠很好地熔融，繼而沉積在基材表面，使涂層的致密度提高。從圖1b 可以看出，Al2O3粉末和其涂層的XRD 圖譜存在差異，兩種圖譜的差異說明，Al2O3粉末在等離子噴涂過程中發(fā)生了相變。Al2O3粉末中的物相幾乎都為α-Al2O3，沒有其他物相的特征峰，但是Al2O3涂層的XRD 圖譜中不僅存在α-Al2O3的衍射峰，而且還有衍射強(qiáng)度較強(qiáng)的γ-Al2O3衍射峰。這是由于在大氣等離子噴涂過程中，等離子焰流的溫度遠(yuǎn)高于陶瓷粉末的熔點(diǎn)和相變溫度，導(dǎo)致熔融的Al2O3粉末液滴在沉積形成涂層的過程中，其相結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。另外，在噴涂過程中，高溫粒子遇到金屬基材會(huì)急速冷卻凝固，使熔體處于過冷狀態(tài)，滿足從熔體中均勻成核的條件[19]。由于γ-Al2O3晶型相比于α-Al2O3晶型，其臨界成核自由能更低，根據(jù)Gibbs 自由能判據(jù)，在等離子噴涂過程中，γ-Al2O3相更易形核，因此以α-Al2O3相為主的Al2O3粉末作為噴涂材料，經(jīng)過等離子噴涂所形成的Al2O3涂層中，γ-Al2O3成為了涂層的主要物相。

圖1 Al2O3 粉末的SEM 形貌以及粉末和涂層的XRD 譜圖Fig.1 (a) SEM morphology of Al2O3 powder and (b) XRD patterns of powder and coating

2.2 涂層的微觀結(jié)構(gòu)

圖2a 為Al2O3涂層拋光后的表面形貌（拋光后，Al2O3涂層的表面粗糙度約(68.06±9.84) nm），涂層表面存在一定孔隙，從放大的表面形貌圖發(fā)現(xiàn)，孔隙中存在片層結(jié)構(gòu)。這是由于噴涂過程中，高溫的熔融粒子加速撞擊到前序沉積的涂層后，發(fā)生變形，并急速冷卻凝固、鋪展，最后形成層狀結(jié)構(gòu)[20-21]。利用Image J金相分析軟件對(duì)涂層內(nèi)不同區(qū)域進(jìn)行分析，得出所制備Al2O3涂層的平均孔隙率為(8.39±2.62)%，說明在此噴涂參數(shù)下制備的涂層較為致密。圖2b 為Al2O3涂層的截面形貌，可以看出Al2O3涂層與金屬過渡層結(jié)合緊密，但從Al2O3涂層的截面放大圖像中同樣可以看見，涂層內(nèi)存在一些孔隙。圖2c 為Al2O3涂層的斷面形貌，Al2O3涂層發(fā)生了脆性斷裂，且涂層斷面也呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)，這與涂層表面孔隙的內(nèi)部存在層狀結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。

圖2 Al2O3 涂層的SEM 圖Fig.2 SEM of Al2O3 coating: a) as-sprayed surface; b) cross-section; c) fracture surface

2.3 力學(xué)性能分析

一般而言，較高的硬度和彈性模量可以賦予材料優(yōu)異的耐磨性能，采用納米壓痕儀分別表征了Al2O3涂層、Si3N4和WC 兩種對(duì)偶球的力學(xué)性能（見表3）。對(duì)偶球的硬度和彈性模量均高于Al2O3涂層，這是由于噴涂制備的Al2O3涂層中存在孔隙和微裂紋，這些不可避免的缺陷使涂層整體結(jié)構(gòu)變得疏松，涂層承載能力降低，致使涂層硬度降低。摩擦配副的硬度和彈性模量對(duì)材料的摩擦學(xué)性能也會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。有文獻(xiàn)表明[22-24]，對(duì)偶材料的硬度和彈性模量越高，材料摩擦表面越難發(fā)生犁溝損傷。另外，涂層與摩擦配副的硬度差也會(huì)影響涂層和摩擦配副的磨損情況，當(dāng)涂層與硬度相近的摩擦配副相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，涂層和摩擦配副容易相互劃傷，并且會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)滯澀和卡滯，使涂層和摩擦配副表面都會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的磨損。當(dāng)硬度差較大時(shí)，硬度較小的一方會(huì)發(fā)生塑性變形，使實(shí)際接觸面積增加，進(jìn)而減少磨損，增強(qiáng)耐磨性能。

表3 Al2O3 涂層、Si3N4 和WC 對(duì)偶球的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of Al2O3 coating, Si3N4 and WC dual spheres

2.4 摩擦磨損性能分析

圖3 為Al2O3涂層與不同對(duì)偶球在不同載荷下摩擦的摩擦系數(shù)曲線。如圖3a 所示，在不同載荷下，Al2O3涂層與Si3N4對(duì)磨時(shí)的摩擦系數(shù)變化曲線具有相似的趨勢(shì)，即在起初階段，摩擦系數(shù)存在明顯的波動(dòng)。這是因?yàn)榇藭r(shí)摩擦表面產(chǎn)生了少量的磨屑，隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，摩擦表面產(chǎn)生的磨屑逐漸增多，在法向力的作用下，硬質(zhì)磨屑被壓入摩擦表面，引起摩擦系數(shù)波動(dòng)，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)摩擦后，磨屑的產(chǎn)生和溢出保持平衡狀態(tài)，摩擦系數(shù)也就逐步趨于穩(wěn)定。在不同載荷下摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)也有所不同，隨著載荷的增加，Al2O3涂層的摩擦系數(shù)逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)接觸物體相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦總是發(fā)生在一部分接觸點(diǎn)上，隨著載荷的增大，摩擦配副之間的接觸面積逐漸增大，發(fā)生摩擦的接觸點(diǎn)數(shù)目和各接觸點(diǎn)尺寸也將隨之增加。最初是接觸點(diǎn)尺寸增加，隨后載荷增加，主要引起接觸點(diǎn)數(shù)目增加。在一般情況下，摩擦表面均處于彈塑性接觸狀態(tài)，由于實(shí)際接觸面積與載荷呈非線性關(guān)系，使摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而降低。而Al2O3涂層的磨損率隨載荷的變化與其摩擦系數(shù)的變化正好相反，即隨著載荷的增加，Al2O3涂層磨損率逐漸增大。其中，在載荷為3、5 N 時(shí)，Al2O3涂層的磨損率分別為3.44×10–5、3.66×10–5mm3/(N·m)，約是載荷為 1 N 時(shí) Al2O3涂層磨損率（1.65×10–5mm3/(N·m)）的2 倍。

當(dāng)Al2O3涂層與WC 球（圖3b）對(duì)磨時(shí)，摩擦系數(shù)經(jīng)過一段跑合期后，逐漸趨于穩(wěn)定，但是與Si3N4對(duì)偶摩擦相比，Al2O3涂層與WC 對(duì)偶摩擦?xí)r的跑合期相對(duì)較長(zhǎng)。即使在摩擦穩(wěn)定階段，隨著摩擦載荷的改變，摩擦系數(shù)也表現(xiàn)出很大的差異，特別是在1 N的載荷下，摩擦系數(shù)很大，達(dá)到1.08 左右。這是由于在小載荷下，樣品表面大量的硬質(zhì)凹坑和凸峰會(huì)阻礙陶瓷球的滑動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生較高的摩擦系數(shù)。在相同載荷下，Al2O3涂層與WC 對(duì)磨時(shí)的磨損率與Si3N4作為摩擦副時(shí)的磨損率相差1 個(gè)數(shù)量級(jí)，即涂層與WC 球在1、3、5 N 的載荷下摩擦后，其磨損率分別為1.49×10–6、1.58×10–6、4.23×10–6mm3/(N·m)。

圖3 Al2O3 涂層與Si3N4 和WC 對(duì)偶在不同載荷下的摩擦系數(shù)和磨損率Fig.3 Friction coefficient of Al2O3 coating with Si3N4 and WC under different loads

由于不同硬度的對(duì)偶材料，其力學(xué)性能存在一定的差異，Al2O3涂層與其摩擦?xí)r，摩擦系數(shù)和磨損率也存在著很大差異。原因主要是，WC 的硬度和彈性模量比Si3N4大，當(dāng)Al2O3涂層與WC 摩擦?xí)r，較硬的WC 對(duì)Al2O3涂層的切削作用更明顯，當(dāng)WC 在Al2O3涂層上相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，涂層表面會(huì)很快破裂，形成很多硬質(zhì)磨屑，摩擦面凸凹不平，使Al2O3涂層的摩擦系數(shù)變大。同時(shí)，WC 擁有高的硬度和彈性模量，在摩擦過程中，WC 對(duì)偶球的磨損體積較小，這說明WC 與Al2O3涂層的接觸摩擦面積也小，所以與WC對(duì)偶摩擦?xí)r，Al2O3涂層表現(xiàn)出較小的磨損率。

2.5 摩擦磨損機(jī)理分析

為了比較分析Al2O3涂層與Si3N4和WC 兩種對(duì)偶在不同載荷下磨痕的形貌和深度，采用三維輪廓儀測(cè)量了磨痕的三維形貌，如圖4 所示。從涂層的三維輪廓和截面輪廓圖中可以看出，磨痕的深度和形貌與磨損率相對(duì)應(yīng)。在與Si3N4對(duì)偶摩擦?xí)r（圖4a—4c），磨痕表面出現(xiàn)很明顯的犁溝，這與對(duì)偶硬度和彈性模量有關(guān)，并且隨著載荷的增加，犁溝的深度和數(shù)量明顯增多，表明隨著載荷的增加，磨粒磨損逐漸加劇。從Al2O3涂層與WC 對(duì)偶摩擦?xí)r磨痕的三維形貌以及相應(yīng)的磨痕截面（圖4d—4f）中可以發(fā)現(xiàn)，在相同載荷下，與WC 對(duì)偶摩擦?xí)r的磨痕寬度是與Si3N4對(duì)偶摩擦?xí)r的1/2，磨痕深度約是與Si3N4摩擦?xí)r的1/3，并且隨著載荷的增大，磨痕的寬度和深度也在增加。

圖4 Al2O3 涂層與Si3N4 球和WC 球摩擦?xí)r磨痕的三維形貌及截面輪廓圖Fig.4 The 3D morphology of the wear surface and the corresponding section profile of Al2O3 coating when it is rubbed against Si3N4 and WC ball

為更好地說明Al2O3涂層與不同摩擦副對(duì)磨時(shí)的磨損機(jī)理，用SEM 分別觀察了涂層的磨痕形貌。圖5 是Al2O3涂層與Si3N4球摩擦?xí)r磨痕表面的SEM 形貌圖。從圖中可以看出，在不同載荷條件下，涂層表面磨痕寬度和深度的變化情況與圖4 中的磨痕三維形貌和磨痕截面輪廓基本是一致的，即Al2O3涂層與Si3N4球配副摩擦?xí)r，隨著摩擦載荷的增大，Si3N4對(duì)偶球發(fā)生了嚴(yán)重磨損。從圖5 中還可以看出，隨著摩擦載荷的增大，Al2O3涂層磨痕表面的凸起明顯減少，同時(shí)從其對(duì)應(yīng)的放大圖中看出，剝落坑明顯增多，更加說明隨著摩擦載荷的增大，摩擦副之間的磨粒磨損越來越嚴(yán)重。用X 射線能量色散譜儀（EDS）分析了磨痕表面Si 元素的轉(zhuǎn)移情況，見表4。結(jié)果顯示，涂層的磨痕表面殘留著Si3N4對(duì)偶球中的Si 元素，并且隨著載荷的增大，Al2O3涂層磨痕中的Si 元素含量也明顯上升。這就說明，Al2O3涂層與Si3N4球摩擦?xí)r，隨著載荷的增大，摩擦配副之間的粘著磨損越來越嚴(yán)重。

圖5 Al2O3 涂層與Si3N4 球摩擦?xí)r磨痕表面的SEM 形貌圖Fig.5 SEM morphology of the grinding surface of Al2O3 coating with Si3N4 ball

表4 Al2O3 涂層與Si3N4 球摩擦?xí)r磨痕表面的元素轉(zhuǎn)移分析Tab.4 Element transfer on the surface of wear mark when Al2O3 coating is rubbed against Si3N4 ball

圖6 是Al2O3涂層與WC 球摩擦?xí)r磨痕表面的SEM 形貌。與WC 球摩擦?xí)r，涂層所形成的磨痕寬度很窄，約為與Si3N4球摩擦形成的磨痕寬度的1/2，同樣，磨痕寬度也隨摩擦載荷的增大而明顯增大。從對(duì)應(yīng)的SEM 圖中可以發(fā)現(xiàn)，Al2O3涂層與WC 球在不同載荷下摩擦后所形成的磨痕中，不僅有剝落坑的存在，而且有很多微裂紋出現(xiàn)，且隨著載荷的增大，這樣的微裂紋數(shù)量也增多。這些微裂紋在摩擦過程中，會(huì)沿著結(jié)合較弱的地方繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致涂層在摩擦過程中發(fā)生片狀剝落，因此裂紋數(shù)目越多，其磨損也就越嚴(yán)重。這表明Al2O3涂層與WC 球摩擦?xí)r，涂層不僅發(fā)生了磨粒磨損，同時(shí)還伴隨著疲勞磨損。由EDS測(cè)得磨痕表面的元素轉(zhuǎn)移含量（表5）可發(fā)現(xiàn)，Al2O3涂層的磨痕表面也殘留了大量的WC 對(duì)偶球成分，隨著摩擦載荷的增大，W 元素轉(zhuǎn)移至涂層磨痕中的量也逐漸增多。相比與Si3N4球摩擦?xí)r的元素轉(zhuǎn)移，WC球在摩擦過程中轉(zhuǎn)移明顯更多。這就表明，Al2O3涂層與WC 摩擦?xí)r，摩擦配副之間發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損。

表5 Al2O3 涂層與WC 球摩擦?xí)r磨痕表面的元素轉(zhuǎn)移Tab.5 Element transfer on the surface of wear mark when Al2O3 coating is rubbed against WC ball

圖6 Al2O3 涂層與WC 球摩擦?xí)r磨痕表面的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of the grinding surface of Al2O3 coating with WC ball

為探究摩擦過程中Al2O3涂層與Si3N4和WC 球摩擦后，所形成磨痕表面化學(xué)成分的變化，使用XPS分析了Al2O3涂層磨痕表面元素的化學(xué)狀態(tài)。圖7 為Al2O3涂層磨損表面Si 和W 元素的XPS 光譜。對(duì)于WC 摩擦副而言，在磨痕表面未發(fā)現(xiàn)其他摩擦產(chǎn)物，只有粘著在Al2O3涂層表面的WC 對(duì)偶成分。而對(duì)Si3N4摩擦副的磨痕表面進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了SiO2的特征峰，這是由于Si3N4在摩擦?xí)r與空氣中的水發(fā)生如下反應(yīng)[25]：

圖7 Al2O3 涂層與Si3N4 和WC 球摩擦后磨痕表面的特征元素XPS 能譜圖Fig.7 XPS energy spectrum of characteristic elements on the surface of wear marks of Al2O3 coating after friction with Si3N4 and WC ball

Si3N4+6H2O=3SiO2+4NH3

在一些文獻(xiàn)中[26-27]，也報(bào)道了反應(yīng)形成的SiO2可以進(jìn)一步與H2O 發(fā)生反應(yīng)，生成具有良好潤(rùn)滑性能的Si(OH)4膠體。這一現(xiàn)象也就很好地解釋了在相同摩擦載荷下，Al2O3涂層與Si3N4對(duì)偶摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)比與WC 對(duì)偶摩擦?xí)r低的原因。當(dāng)然，在摩擦過程中，該化學(xué)反應(yīng)的速率很低，需要較長(zhǎng)的一段摩擦距離和時(shí)間才能產(chǎn)生足量的Si(OH)4，由于反應(yīng)緩慢，產(chǎn)生的Si(OH)4可能還未大量形成，就在摩擦力的作用下脫落。

由于涂層與對(duì)偶是以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式直接接觸，在摩擦過程中，Al2O3涂層與對(duì)偶球的接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，可能達(dá)幾百甚至上千攝氏度。摩擦熱的產(chǎn)生會(huì)引起涂層表面局部溫度升高，在磨痕周圍會(huì)產(chǎn)生溫度梯度。隨著溫度的上升，材料表面會(huì)發(fā)生塑性變形、二次結(jié)晶和固態(tài)相變[28]。有文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)[29-30]，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)的γ-Al2O3相會(huì)向穩(wěn)定的α-Al2O3相轉(zhuǎn)變。圖8 給出了Al2O3涂層及其與Si3N4和WC 球摩擦后磨痕表面Al 元素的XPS 光譜，為了說明γ-Al2O3到α-Al2O3在摩擦過程中的轉(zhuǎn)變，用公式（2）計(jì)算出了α-Al2O3的百分含量ω。

圖8 Al2O3 涂層與Si3N4 和WC 球摩擦后磨痕表面Al 元素的XPS 光譜Fig.8 XPS spectra of Al element on the surface of wear marks after friction of Al2O3coating with Si3N4 and WC ball

式中：Vα、Vγ分別是用高斯擬合出的α-Al2O3和γ-Al2O3的峰面積。結(jié)果表明，Al2O3涂層表面α-Al2O3的含量（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）很少，約為3.4%，但Al2O3涂層與Si3N4、WC 對(duì)偶球摩擦后，磨痕表面α-Al2O3的含量明顯增多。

在不同載荷下，Al2O3涂層與Si3N4球摩擦后，磨痕表面α-Al2O3的含量（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）分別為38.4%、23.3%、16.2%；與WC 球摩擦后，磨痕表面的α-Al2O3含量（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）為44.9%、39.6%、28.4%。從以上結(jié)果可以看出，隨著載荷的增加，γ-Al2O3到α-Al2O3的轉(zhuǎn)變逐漸減少；在相同載荷下，Al2O3涂層與不同摩擦副摩擦后，磨痕表面的α-Al2O3含量也不相同，與Si3N4球摩擦后的α-Al2O3含量明顯少于與WC 球摩擦后的α-Al2O3含量。這主要是因?yàn)?，載荷越大，涂層與對(duì)偶球的接觸面積增加，產(chǎn)生的摩擦溫度降低，γ-Al2O3的轉(zhuǎn)變減少。在相同載荷下，由于WC 對(duì)偶的硬度和彈性模量比Si3N4對(duì)偶大，在摩擦過程中，不僅經(jīng)歷了嚴(yán)重的粘著磨損、磨粒磨損，而且經(jīng)歷了疲勞磨損，這都使摩擦表面產(chǎn)生大量的摩擦熱，導(dǎo)致大量γ-Al2O3向α-Al2O3轉(zhuǎn)變。摩擦過程中的溫度轉(zhuǎn)變可以由公式（3）表示[31]。

式中：T為摩擦表面溫度；T0為摩擦表面周圍溫度；k為熱導(dǎo)率；r為半徑；W為載荷；J為熱功；μ為摩擦系數(shù)；ν為速度；σ為冷卻系數(shù)；g重力加速度；α為常數(shù)。從以上公式可得，摩擦系數(shù)越大，產(chǎn)生的摩擦熱越多，越多的摩擦熱導(dǎo)致摩擦接觸面溫度越高，而越高的溫度就越有利于 γ-Al2O3相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3相。

圖9 為Al2O3涂層與Si3N4球和WC 球配副摩擦后，兩種對(duì)偶球的磨痕形貌?？梢钥闯?，對(duì)偶球的摩擦表面都出現(xiàn)了明顯的犁溝，這表明兩種對(duì)偶在摩擦過程中都存在磨粒磨損。從圖9a、b、c 可以看出，Si3N4對(duì)偶球的磨斑表面有明顯的單向劃痕，且隨著載荷的增加，磨斑表面的劃痕逐漸加深，即隨著載荷的增大，磨粒磨損加劇。從圖9d、e、f 可以看出，在相同載荷下，WC 對(duì)偶球比Si3N4對(duì)偶球的磨斑小得多，這正是因?yàn)閃C 比Si3N4具有更高的硬度和彈性模量，使WC 球在摩擦過程中的磨損并不嚴(yán)重。

圖9 對(duì)偶球磨痕表面的光學(xué)形貌Fig.9 The optical micrographs of the worn surfaces of the friction pairs

3 結(jié)論

利用大氣等離子噴涂工藝（APS）在316L 不銹鋼上制備了Al2O3涂層，對(duì)Al2O3涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在大氣環(huán)境下，系統(tǒng)地研究了涂層與Si3N4和WC 兩種高硬對(duì)偶配副的摩擦學(xué)特性，即在不同載荷下的滑動(dòng)摩擦及涂層的摩擦磨損行為。主要結(jié)論如下：

1）噴涂制備的Al2O3涂層具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，且涂層中存在一定的缺陷和孔隙。涂層的主要物相為亞穩(wěn)態(tài)的γ-Al2O3，涂層硬度約為15.29 GPa。

2）Al2O3涂層分別與Si3N4和WC 球摩擦?xí)r，隨著載荷的增大，其摩擦系數(shù)均逐漸降低，但Al2O3涂層的磨損率均升高。由于摩擦對(duì)偶硬度和彈性模量的差異，Al2O3涂層與Si3N4球摩擦?xí)r，涂層表現(xiàn)出嚴(yán)重的磨粒磨損并伴有粘著磨損的特征，并且在摩擦過程中，因Si3N4與空氣中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一定的Si(OH)4膠體，使得該配副之間的摩擦系數(shù)低于涂層與WC 對(duì)偶摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)；而Al2O3涂層與WC 對(duì)偶摩擦?xí)r，涂層以粘著磨損和磨粒磨損為主，并伴有疲勞磨損，涂層磨痕中粘附了一定的W 元素。

3）Al2O3涂層分別與Si3N4和WC 球摩擦?xí)r，由于摩擦熱的產(chǎn)生，Al2O3涂層磨痕表面的γ-Al2O3相均會(huì)部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3相。對(duì)偶的硬度和彈性模量越大，摩擦配副之間的摩擦系數(shù)越高，γ-Al2O3相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3相的趨勢(shì)越明顯。同時(shí)，摩擦對(duì)偶的硬度和彈性模量對(duì)其耐磨性有重要的影響，即對(duì)偶的硬度和彈性模量越高，與Al2O3涂層摩擦?xí)r表現(xiàn)出的耐磨性也越好。