鎳基涂層性能研究及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

徐文文，韓冰源，杜 偉，楚佳杰，高祥涵，吳 成

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

為響應(yīng)國家“輕量化”號召，緩解目前世界各國所面臨的資源短缺問題，各領(lǐng)域紛紛投入到節(jié)能減排的工作中[1]。在汽車領(lǐng)域，發(fā)動機各部件多采用輕質(zhì)鋁合金材料，它不僅能提供更大的動能，而且能減少汽車的尾氣排放[2-3]。然而，鋁合金材料硬度較低，在實際應(yīng)用中易發(fā)生磨損，因此，考慮在其表面制備鎳基涂層以增加使用壽命。

目前，在汽車發(fā)動機材料中，鎳基高溫合金材料約占40%[4]。Ni60鎳基合金粉末由于綜合性能良好、硬度較高、耐磨耐腐蝕性較好，能夠適應(yīng)長時間高溫下的工作，因此，在工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。在Ni60粉末的基礎(chǔ)上添加Cu、Mo元素，能增強涂層硬度、結(jié)合強度和耐高溫性能，如Ni60CuMo可以更廣泛地應(yīng)用于閥門、活塞、氣門等易磨損零件的預(yù)防性保護和修復(fù)工作。

制備涂層的方法很多，熱噴涂技術(shù)是目前在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、醫(yī)藥科學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的表面工程技術(shù)之一，其中，等離子噴涂技術(shù)能夠準(zhǔn)確控制涂層厚度，適用于多種工況[6-8]。等離子噴涂技術(shù)利用等離子弧產(chǎn)生足夠的溫度，從而能夠?qū)娡糠勰┘訜嶂寥谌刍虬肴廴跔顟B(tài)后高速噴射到基體表面沉積形成涂層。涂層具備成本低、工藝簡單及附加值高等優(yōu)點，且等離子噴涂制備的涂層具有較高的結(jié)合強度和硬度[9]。曹玉霞等人[10]采用等離子噴涂技術(shù)制備NiCr/Cr3C2復(fù)合涂層，結(jié)果顯示，涂層呈現(xiàn)典型的層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合強度和顯微硬度均呈現(xiàn)較高水平。張晶晶等人[11]采用等離子噴涂技術(shù)在鎳基高溫合金上制備氧化鋯涂層，并對涂層進行高溫氧化腐蝕測試，結(jié)果表明，涂層在經(jīng)過高溫氧化后，表面組織結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定，涂層與基體之間能夠保持良好結(jié)合。本文以等離子噴涂Ni60CuMo涂層開展實驗并進行相關(guān)性能分析，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

噴涂試驗采用的粉末為Ni60CuMo粉末，其主要化學(xué)成分如表1所示。采用電子掃描顯微鏡對其進行觀察，得到粉末的微觀形貌圖和選區(qū)EDS圖譜如圖1所示。由圖1（a）微觀形貌可見，粉末大多呈正圓形，球形良好，粒徑分布在46～155μm，表面光滑，在噴涂過程中能夠保持較好的流動性，不易堵塞噴槍孔道且易控制送粉量。由圖1（b）選區(qū)EDS圖譜可見，圖中各元素與粉末出廠時各元素的分布規(guī)律相似，且未發(fā)現(xiàn)明顯氧元素存在，說明噴涂層表面質(zhì)量較高。

表1 Ni60CuMo粉末主要成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1 Ni60CuMo粉末微觀形貌及選區(qū)EDS圖譜

試樣基體選擇汽車發(fā)動機活塞常用的ZL109鋁合金，制成的試樣尺寸為Φ25.4×5 mm，宏觀圖如圖2所示?；w表面光滑平整，有金屬光澤。噴涂前用砂紙打磨試樣表面以去除油污、氧化物，再用丙酮進行清洗。采用北京礦冶研究院的美科等離子噴涂設(shè)備在試樣上進行Ni60CuMo涂層的制備，噴涂工作主氣選擇Ar氣，輔氣選擇H2，噴涂參數(shù)為：噴涂電流400 A；噴涂距離140 mm；噴涂功率40 kW；送粉速率32 g?min-1；主氣流量60 L?min-1；輔氣流量5 L?min-1。噴涂主要參數(shù)如表2所示。

1.2 試驗方法

等離子噴涂涂層多為層狀結(jié)構(gòu)，涂層的形成過程決定了涂層的結(jié)構(gòu)，本文采用電子掃描電鏡（SEM）對噴涂層進行微觀組織觀察，分析涂層表面、截面微觀形貌。當(dāng)融熔或半融熔粒子沉積到基體上相互擠壓、堆疊，會導(dǎo)致涂層中存在一定量的孔隙；因此，實驗中有必要采用圖像分析軟件Image J分析涂層孔隙率。

涂層的顯微硬度與工件的使用壽命、耐磨強度等息息相關(guān)，測試中選擇HVS-1000A維氏硬度儀，利用顯微硬度計上的金剛石壓頭，對涂層試樣表面選擇5處位置（距離依次相同）進行打點測量，點與點之間的距離至少為壓痕對角線的3倍，施加載荷為100 g，加載時間5 s，載荷保持15 s。

涂層的結(jié)合強度主要測試涂層在承受拉伸應(yīng)力時的強度，測試中使用電子萬能試驗機采用拉伸測試法，將試樣有涂層A面和無涂層B面分別使用粘結(jié)劑粘貼在拉伸棒上，再放入試驗機進行拉伸測試，電腦所記錄的拉斷時的載荷即為涂層的結(jié)合強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層外觀

Ni60CuMo涂層外觀如圖3所示。涂層呈現(xiàn)淺灰色，表面均勻一致，有較明顯的顆粒感，無過燒導(dǎo)致的變色；肉眼可見連續(xù)致密，無裂紋、剝落等微缺陷，噴涂效果較好，可以作為試驗試樣。

表2 噴涂固定參數(shù)

圖2 試樣基體宏觀圖

圖3 涂層表面宏觀圖

2.2 涂層微觀組織

放大200倍下的涂層表面、截面如圖4所示。由圖4（a）表面微觀結(jié)構(gòu)可見，涂層鋪展良好，但依然存在部分半融熔狀態(tài)的顆粒。圖4（b）涂層截面微觀結(jié)構(gòu)顯示：上部黑色帶有光亮部分為鑲嵌粉，中間淺灰色部分為涂層，下部深灰色部分為基體，涂層與基體結(jié)合緊密，界限明顯，界面邊緣光滑平整，基體和涂層之間是典型的機械結(jié)合；涂層厚度均勻，靠近涂層上部存在部分孔洞缺陷；涂層內(nèi)部無分層現(xiàn)象，無明顯裂紋，雖存在部分孔洞，但涂層孔隙率不超過5%，整體致密。

圖4 涂層表面、截面微觀結(jié)構(gòu)

2.3 顯微硬度

在試樣和基體截面顯微硬度測試打點示意圖如圖5所示，打點處從左至右分別記為點1、2、3、4、5，得到的基體和涂層硬度值如圖6所示。圖6顯示，涂層的顯微硬度值明顯高于基體，計算得到基體的平均硬度為134.88 HV，涂層的平均硬度為745.71 HV，是基體的5.5倍。涂層中各點的顯微硬度分布不均，未呈現(xiàn)明顯的規(guī)律，究其原因，可能是由于Ni60CuMo涂層中存在硬度相差較大的Cr、Ni相。

圖5 顯微硬度測試打點示意圖

2.4 結(jié)合強度

2.4.1 噴涂涂層結(jié)合強度分析

拉伸試驗機記錄試樣在拉斷時的最大載荷結(jié)果如表3所示。2號試樣斷面和截面微觀組織如圖7所示。由圖7（a）可見，試樣斷裂形式為層間斷裂，說明涂層之間的結(jié)合強度小于粘結(jié)劑結(jié)合強度。圖7（b）顯示，從上至下分別是鑲樣粉、涂層、粘結(jié)劑和基體，與圖4（b）對比可以發(fā)現(xiàn)，涂層的厚度相較于拉伸前顯著減小。在參與拉伸試驗的三組試樣中，2號試樣的結(jié)合強度值最低，究其原因在于涂層中存在部分半熔顆粒，導(dǎo)致噴涂涂層內(nèi)部孔隙、孔洞等微缺陷較多，使涂層結(jié)構(gòu)疏松，從而造成基體與涂層的結(jié)合力較弱。

圖6 涂層顯微硬度

表3 涂層拉伸試樣結(jié)果

2.4.2 噴涂距離對涂層結(jié)合強度的影響

結(jié)合強度能夠用來表征和評價涂層和基體之間的結(jié)合力，良好的結(jié)合強度能有效延緩?fù)繉觿兟?，增加零件的使用壽命。為了探究不同噴涂距離下涂層結(jié)合強度的變化情況，在保持其他參數(shù)不變的前提下，分別選擇噴涂距離為120 mm、130 mm和140 mm噴涂鎳基涂層，所得到的平均結(jié)合強度如表4所示。

表4 不同噴涂距離下平均結(jié)合強度值

根據(jù)表4，當(dāng)噴涂距離從120 mm增大至140 mm時，涂層平均結(jié)合強度并非呈現(xiàn)單調(diào)增長的趨勢，而是先增大后減小，這一結(jié)果與涂層的結(jié)合性能和粉末粒子的熔融狀態(tài)有關(guān)。表4結(jié)果顯示：適當(dāng)?shù)膰娡烤嚯x能夠提供恰當(dāng)?shù)难媪鳒囟?，從而使射流中的粉末顆粒能充分達到熔融狀態(tài)，在沉積到基體時具有良好的粘結(jié)作用，使獲得的涂層具有較高的穩(wěn)定性；而當(dāng)噴涂距離較大或較小時，粉末顆粒融化不充分，與熔融粒子碰撞形成孔隙，從而降低涂層與基體之間的結(jié)合力。

3 Ni60CuMo涂層在汽車發(fā)動機中的應(yīng)用

當(dāng)前，汽車工業(yè)領(lǐng)域正朝著高性能、低能耗、重環(huán)保的方向發(fā)展，這就對發(fā)動機的材料、使用壽命等提出了更高的要求。氣缸體、活塞等作為處于極端苛刻條件下工作的發(fā)動機核心部件，由于長期承受高負(fù)荷和強摩擦，極易發(fā)生磨損、斷裂等失效問題；因此，為提升發(fā)動機服役壽命，研究人員開發(fā)出新型鎳基高溫合金涂層，對其進行再制造修復(fù)及生產(chǎn)。

活塞是汽車發(fā)動機中必不可少的核心要件，其中，第一道活塞環(huán)工作時溫度可達250℃，采用Ni60CuMo涂層的活塞環(huán)將大幅度延長使用壽命；發(fā)動機中的氣缸體、氣缸蓋等易磨損部件也采用了Ni60CuMo涂層，當(dāng)發(fā)動機發(fā)生損傷需要再制造時，只需去除舊涂層重新噴涂即可?？梢姡噍^于更換新品，采用Ni60CuMo涂層能夠大大降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。

4 結(jié)論

本文采用等離子噴涂在ZL109基體上制備了Ni60CuMo鎳基涂層，并進行涂層外觀、顯微組織、硬度和結(jié)合強度的測試分析。結(jié)論如下：

（1）采用等離子噴涂制備的Ni60CuMo涂層組織致密，電子掃描顯微鏡下涂層截面鋪展均勻，無肉眼可見孔隙。

（2）Ni60CuMo涂層顯微硬度較高，維氏硬度平均值為745.71 HV，相較于基體，涂層硬度有了大幅度的提高。

（3）Ni60CuMo涂層可以廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機活塞、氣缸等易損傷關(guān)鍵件，能有效提升零件使用壽命，降低生產(chǎn)成本，從而避免了資源浪費。