Fe - Al基復(fù)合材料及其涂層高溫耐磨性的研究進(jìn)展

秦 峰，遲新宇，袁建軍，崔譯丹，潘光浩，李 祥，谷連旺

(1. 棗莊科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山東 棗莊 277599；2. 山東科技大學(xué)智能裝備學(xué)院，山東 泰安 271000；3. 滕州市安川自動(dòng)化機(jī)械有限公司，山東 滕州 277500)

0 前 言

Fe - Al金屬間化合物因其成本低、強(qiáng)度重量比高、抗氧化性[1, 2]能好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[3]。此外，高彈性模量和優(yōu)異的高溫強(qiáng)度使其成為有前途的摩擦學(xué)材料，并在腐蝕環(huán)境中替代特殊鋼或鎳基高溫合金。然而，低室溫延性嚴(yán)重阻礙了Fe - Al金屬間化合物的應(yīng)用。

近幾十年以來(lái)，對(duì)Fe - Al基復(fù)合材料的耐磨性的研究主要集中在往Fe - Al金屬間化合物中添加硬質(zhì)陶瓷顆粒，利用陶瓷的高硬度、良好的高溫穩(wěn)定性提升該材料的耐磨性能，主要的添加相有WC、TiC、Al2O3等。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道，闡述了Fe - Al基復(fù)合材料及涂層的制備技術(shù)，總結(jié)了各類(lèi)添加相對(duì)復(fù)合材料的摩擦磨損的影響，以期對(duì)今后Fe - Al基復(fù)合材料和涂層的耐磨性能研究和應(yīng)用提供參考。

1 FeAl - WC復(fù)合材料

WC陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、較低的熱膨脹系數(shù)、比較優(yōu)良的抗氧化性能和耐蝕性等特點(diǎn)，使得它在現(xiàn)代工具材料、耐磨材料、耐腐蝕和耐高溫材料等方面都得到廣泛應(yīng)用。大量的研究表明，將WC添加到Fe - Al金屬間化合物中制備復(fù)合材料可以明顯提高復(fù)合材料的高溫摩擦性能。

Karimi等[4]對(duì)比了放電等離子燒結(jié)(SPS)和常規(guī)靜壓燒結(jié)工藝制備的FeAl - WC復(fù)合材料，對(duì)FeAl - WC復(fù)合材料的組織形貌和在室溫～500 ℃的摩擦磨損機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)探討。結(jié)果表明，相對(duì)于常規(guī)等靜壓燒結(jié)工藝，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)可以制備出致密的FeAl - WC復(fù)合材料。同時(shí)，在相同條件下，采用SPS制備的FeAl - WC復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損量均低于常規(guī)燒結(jié)FeAl - WC復(fù)合材料。隨著摩擦溫度的升高，2種技術(shù)制備的FeAl - WC的磨損率呈上升趨勢(shì)。從磨損表面來(lái)看，在500 ℃的磨損試驗(yàn)中，SPS技術(shù)制備的FeAl - WC具有良好的抗氧化性能和摩擦磨損性能，而較高的孔隙率是導(dǎo)致常規(guī)燒結(jié)FeAl - WC復(fù)合材料硬度和耐磨性降低的主要原因。在摩擦磨損機(jī)制方面，F(xiàn)eAl - WC復(fù)合材料在室溫下的磨損機(jī)制主要是磨粒磨損，而500 ℃的溫度下的主要磨損機(jī)制為黏著磨損。

由于Fe3Al和FeAl具有高硬度、耐高溫腐蝕和無(wú)毒的特性，因此被選擇作為過(guò)渡金屬碳化物、硼化物、氧化物和氮化物等硬質(zhì)耐磨復(fù)合材料的替代粘結(jié)劑來(lái)使用，尤其是相對(duì)于WC - Co類(lèi)磨料，由于Co的原料價(jià)格昂貴，研究FeAl合金來(lái)取代Co，作為粘結(jié)劑，具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

Mottaghi等[5]采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了WC/(FeAl - B)復(fù)合材料，并對(duì)比了該材料和WC - Co復(fù)合材料在室溫～600 ℃的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，WC/(FeAl - B)復(fù)合材料比WC - Co金屬陶瓷具有更高的硬度和斷裂韌性，同時(shí)，WC/(FeAl - B)復(fù)合材料在所有溫度下的耐磨性都比WC - Co復(fù)合材料更加優(yōu)異。在摩擦機(jī)理方面，WC - Co和WC/(FeAl - B)復(fù)合材料在常溫和300 ℃時(shí)的磨損機(jī)理都為黏著磨損，但是，WC/(FeAl - B)復(fù)合材料在400 ℃時(shí)，磨損機(jī)理由黏著磨損過(guò)渡到氧化磨損，該復(fù)合材料在600 ℃時(shí)則主要呈現(xiàn)氧化磨損的特征。

Chen等[6]研究了B元素和Nb元素在Fe - Al基復(fù)合材料中的作用發(fā)現(xiàn)，在Fe - Al基復(fù)合材料中加入B元素時(shí)，B元素在復(fù)合材料中分布均勻地分散在晶界，使晶粒細(xì)化，降低了復(fù)合材料的開(kāi)裂傾向。添加少量Nb也可提高Fe - Al基復(fù)合材料的抗氧化性能，同時(shí)B元素和Nb元素的添加也會(huì)提高Fe - Al基復(fù)合材料的耐磨性能。

在FeAl - WC涂層耐磨性研究方面，Mostajeran等[7, 8]采用激光熔覆工藝在不銹鋼基體上制備了FeAl - WC復(fù)合材料涂層，研究發(fā)現(xiàn)，該涂層硬度可達(dá)到1 600 HV，斷裂韌性為5.7 MPa·m1/2，彈性模量為355 GPa。該研究還對(duì)比了通過(guò)激光熔覆和熱噴涂工藝制備的FeAl - WC涂層的性能的差別。結(jié)果表明，由于激光熔覆涂層的高致密度和低的孔隙率，在顯微硬度和斷裂強(qiáng)度方面，激光熔覆制備的復(fù)合材料涂層分別為熱噴涂工藝制備涂層的1.2倍和2.5倍。研究結(jié)果還顯示，WC - FeAl涂層相比較于不銹鋼基體具有更加優(yōu)異的耐磨性能。

綜合相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，F(xiàn)eAl - WC復(fù)合材料在高溫下都能明顯提高FeAl的耐磨性，在500 ℃以下的溫度主要以黏著磨損為主，而隨著溫度的升高，F(xiàn)e元素和Al元素被氧化形成氧化物為主的潤(rùn)滑層，對(duì)提高磨損、降低摩擦系數(shù)起著重要作用。

2 FeAl - TiC復(fù)合材料

從摩擦學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，由于FeAl - TiC復(fù)合材料中增強(qiáng)相TiC具有極高的硬度值和化學(xué)穩(wěn)定性，F(xiàn)eAl - TiC復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨料磨損性能，F(xiàn)eAl - TiC復(fù)合材料中，F(xiàn)eAl金屬間化合物原子間結(jié)合力強(qiáng)并具有較高的硬度，在與摩擦副滑動(dòng)接觸過(guò)程中難以發(fā)生黏著和變形，因此，F(xiàn)eAl - TiC復(fù)合材料也可望具有良好的抗黏著磨損能力。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)FeAl - TiC復(fù)合材料的耐磨性相關(guān)研究文獻(xiàn)較少，目前的研究大都集中在FeAl - TiC材料制備技術(shù)[9]、FeAl - TiC涂層制備技術(shù)[10]等方面。

為了提高高溫管道受熱面、內(nèi)燃機(jī)缸體、導(dǎo)管及汽輪等零部件的高溫耐磨性，王耀華等[11]研究了在35CrMo基體上制備的Fe - Al/TiC涂層在室溫～700 ℃寬溫域內(nèi)的高溫耐磨性能。研究發(fā)現(xiàn)，如圖1所示，在600 ℃時(shí)，摩擦系數(shù)一直呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)，而在室溫下，涂層和基體的摩擦系數(shù)均是經(jīng)過(guò)開(kāi)始的磨合階段后，開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定的數(shù)值。研究還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e - Al/TiC涂層的磨損率無(wú)論是室溫還是700 ℃高溫下都遠(yuǎn)低于基體材料的，該涂層有效地提升了高溫耐磨性能(圖2)。

Mertgenc等[12]采用電火花沉積工藝在銅合金表面制備了FeAl - TiC復(fù)合材料涂層，并對(duì)其摩擦磨損性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：FeAl - TiC涂層表面硬度提高了約11倍，涂層材料的磨損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基體的，基體材料的磨損機(jī)制主要是黏著磨損，F(xiàn)eAl - TiC涂層的磨損表現(xiàn)為黏著磨損和磨粒磨損。Amiriyan等[13]研究了TiC顆粒對(duì)Fe3Al/TiC涂層磨損性能的影響。研究者以Fe3Al、Ti和石墨粉末為原料，利用高速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)在鋼鐵基體上制備了Fe3Al/TiC復(fù)合涂層。結(jié)果顯示，沒(méi)有添加TiC的純Fe3Al涂層具有較高的磨損率。隨著TiC含量的增加，F(xiàn)e3Al/TiC復(fù)合涂層的維氏硬度得到了提高，而涂層的磨損率則逐步下降。研究還發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料涂層的磨損機(jī)制與滑動(dòng)摩擦速度和TiC顆粒含量密切相關(guān)。在低的摩擦速度下，含10%(摩爾分?jǐn)?shù)，下同)和30%TiC的涂層的主要磨損機(jī)制為疲勞磨損，而在高滑動(dòng)速度下，涂層的主要磨損機(jī)制為氧化磨損，含量為50%和70%TiC的Fe3Al/TiC復(fù)合材料的主要磨損機(jī)制是磨料磨損和氧化磨損。

Zhang等[14]研究了Fe - 28Al - 5Cr/TiC合金及其復(fù)合材料在25～800 ℃寬溫域內(nèi)的摩擦學(xué)行為。研究表明，在相同的試驗(yàn)參數(shù)下，復(fù)合材料的磨損率隨TiC含量的增加而降低，這表明TiC的加入提高了Fe - 28Al - 5Cr合金的高溫磨損性能。摩擦溫度影響著摩擦表面氧化和力學(xué)性能的變化，同時(shí)材料的磨損率與測(cè)試溫度有關(guān)。復(fù)合材料的摩擦系數(shù)均在0.55～0.95范圍內(nèi)。在200～800 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要是由于摩擦表面形成了低摩擦的TiO2和鐵氧化物。TiC含量15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)以下的復(fù)合材料的磨損由室溫下的疲勞剝落轉(zhuǎn)變?yōu)?00～600 ℃時(shí)的犁削和分層，然后轉(zhuǎn)變?yōu)?00 ℃時(shí)的黏著和疲勞磨損。對(duì)于TiC含量20%的復(fù)合材料，室溫和200 ℃下摩擦表面存在著犁溝和分層；在400～800 ℃時(shí)，主要磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p。然而，對(duì)于TiC含量為35%和50%的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，室溫和200 ℃下摩擦表面主要存在分層，而400～800 ℃范圍內(nèi)，摩擦表面同時(shí)存在分層和犁削。

3 FeAl - Al2O3復(fù)合材料

α - Al2O3是最常見(jiàn)的氧化物陶瓷之一。該材料具有熱穩(wěn)定性好、硬度高、電絕緣性好、耐酸堿化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。將Al2O3與FeAl相結(jié)合，可以制備出適合高溫模具和刀具使用的硬質(zhì)材料。FeAl和Al2O3均為普遍存在的元素，從資源保護(hù)的角度出發(fā)，制備FeAl - Al2O3復(fù)合材料具有重要意義。常見(jiàn)的制備FeAl - Al2O3復(fù)合材料的方法有脈沖電流燒結(jié)技術(shù)[15]、燃燒合成技術(shù)[16, 17]等。

Song等[18]采用大氣等離子噴涂技術(shù)，以Al2O3為增強(qiáng)相制備了FeAl金屬間化合物復(fù)合涂層，并且對(duì)比研究了FeAl/ Al2O3復(fù)合涂層與純FeAl涂層的組織和力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eAl/ Al2O3復(fù)合涂層中Al2O3在FeAl基體中均勻彌散分布。Al2O3顆粒的添加，使得復(fù)合材料的顯微硬度和粘結(jié)強(qiáng)度均有所提高。摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，等離子噴涂FeAl/Al2O3復(fù)合涂層具有優(yōu)異的干滑動(dòng)磨損性能，這是FeAl金屬間化合物的高屈服強(qiáng)度與Al2O3彌散體的高硬度相結(jié)合的結(jié)果。

4 其他FeAl基復(fù)合材料

Pougoum等[19]以Fe3Al、BN和Ti為原料，采用高能球磨和超音速火焰噴涂(HVOF)工藝合成了原位制備了TiN、TiB2和Fe2B顆粒增強(qiáng)的Fe - Al基復(fù)合材料涂層，研究了BN/Ti含量對(duì)HVOF涂層組織和性能的影響，并討論了其摩擦學(xué)性能。X射線分析表明，涂層中存在TiN、TiB2和Fe2B峰。其中，含量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的BN和20%的Ti粉制備的Fe3Al基涂層的顯微硬度(4.3 GPa)和耐磨性(3×104mm3/Nm)分別比基體材料提高了3.3倍和3個(gè)數(shù)量級(jí)。純Fe3Al涂層和Fe3Al基復(fù)合材料涂層的主要磨損機(jī)制分別是疲勞和磨粒磨損。

Yin等[20]采用等離子噴涂技術(shù)在1Cr18Ni9Ti不銹鋼表面沉積FeAl/CeO2/ZrO2納米復(fù)合涂層，對(duì)FeAl/CeO2/ZrO2納米復(fù)合涂層和純FeAl涂層的力學(xué)性能和摩擦磨損行為進(jìn)行了比較評(píng)價(jià)，并從微觀組織和力學(xué)性能兩方面探討了2種涂層的磨損機(jī)理。結(jié)果表明，對(duì)比純FeAl涂層，復(fù)合材料涂層具有更高的硬度和斷裂韌性以及更加優(yōu)異的耐磨性，可主要?dú)w因于Zr納米粒子的強(qiáng)化效應(yīng)和涂層中CeO2的晶粒細(xì)化效果。

Wang等[21]研究了CeO2對(duì)熱噴涂FeAl金屬間化合物涂層的沖蝕和磨損性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與純FeAl涂層相比，含CeO2的FeAl金屬間化合物涂層裂紋少，孔隙率低，硬度高。同時(shí)與純FeAl涂層相比，含CeO2的FeAl金屬間化合物涂層的抗沖蝕和耐磨性能顯著提高。

劉曉明等[22]采用高速火焰噴涂方法，以自研的Fe - Al/Cr3C2噴涂粉材，成功地在20鋼表面制備了Fe - Al/Cr3C2涂層，并測(cè)試了涂層在室溫、300 ℃，450 ℃，550 ℃，650 ℃的摩擦磨損性能。研究發(fā)現(xiàn)，添加了 Cr3C2的涂層摩擦過(guò)程中沒(méi)有“跑合”階段，復(fù)合材料涂層的摩擦系數(shù)先隨溫度的升高而增加，在550 ℃時(shí)達(dá)到最大值。而后涂層的摩擦系數(shù)開(kāi)始下降(圖3)。 該研究還發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，復(fù)合材料的磨損率不但沒(méi)有增加，反而逐漸降低，該材料的最佳使用溫度是550 ℃(圖4)。

同時(shí)大量的研究也表明，通過(guò)往Fe - Al合金中添加陶瓷顆粒還能顯著提高其室溫強(qiáng)度和耐磨性。由于陶瓷在液態(tài)Fe - Al合金中的溶解度低，F(xiàn)e3Al和FeAl都具有熱力學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)相容性，很少或不與WC、TiC、TiB2或ZrB2發(fā)生反應(yīng)。由于大多數(shù)陶瓷是液相燒結(jié)制備的，因此陶瓷必須表現(xiàn)出較低的與FeAl的潤(rùn)濕角，才能獲得致密無(wú)孔隙的復(fù)合材料。目前降低潤(rùn)濕角的的主要方法有：(1) 通過(guò)添加合金元素來(lái)降低熔融金屬的表面張力及固 - 液界面能，甚至通過(guò)添加合金元素在固液界面參加界面反應(yīng)來(lái)降低接觸角[23]；(2)通過(guò)新的涂覆物質(zhì)取代金屬與陶瓷的直接接觸，從而提高體系的潤(rùn)濕性[23]；(3)提高潤(rùn)濕過(guò)程中的溫度，降低熔融金屬的表面能，達(dá)到改善潤(rùn)濕性的目的[24]。

5 結(jié)論與展望

作為一種輕質(zhì)、低成本、抗硫化和抗高溫氧化性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，F(xiàn)e - Al基復(fù)合材料的高溫摩擦磨損性能的研究取得了一系列的研究進(jìn)展，但也面臨著諸多的挑戰(zhàn)：

(1)在材料設(shè)計(jì)上，雖然通過(guò)添加碳化物、氧化物等強(qiáng)化相，能降低Fe - Al基復(fù)合材料高溫下的摩擦系數(shù)和磨損率，但是強(qiáng)化相和基體之間的結(jié)合強(qiáng)度需要進(jìn)一步提升，從而降低在高速摩擦過(guò)程中強(qiáng)化相脫落造成的磨粒磨損；(2)在Fe - Al基復(fù)合材料及涂層摩擦磨損性能研究方面，由于很多的磨損過(guò)程在溫度跨度較大的工況條件下發(fā)生，單一的增強(qiáng)相和固體潤(rùn)滑劑具有局限性，因此，研發(fā)復(fù)配的固體潤(rùn)滑劑和加強(qiáng)對(duì)Fe - Al基復(fù)合材料及涂層寬溫域的摩擦磨損性能的研究也是今后的一個(gè)研究方向。