7×××系高強(qiáng)鋁合金耐磨涂層的制備與性能

王云壯，秦青豐，王京成，候平，王澤*

（江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

高強(qiáng)鋁合金因其抗拉強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，在高鐵列車、航空航天、能源裝備、武器制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，鋁合金材料的需求日益增多，對(duì)其性能要求愈加嚴(yán)格。在一些特殊的場合，因?yàn)楦邚?qiáng)鋁合金的表面耐磨性較差，在使用過程中易發(fā)生磨損，所以其應(yīng)用受到了較大程度的限制。如在我國的鋁合金石油鉆桿領(lǐng)域，由于鋁合金不耐磨的缺點(diǎn)，在鉆探時(shí)磨損較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)柱可靠性降低，因此我國的高強(qiáng)鋁合金鉆桿大部分還是依靠國外進(jìn)口[5-7]。為了解決高強(qiáng)鋁合金耐磨性差這個(gè)問題，在其表面制備高硬度且耐磨性好的涂層，不失為一個(gè)好方法[8-9]。在現(xiàn)代工業(yè)體制下，制備涂層的方法不勝枚舉，利用熱噴涂技術(shù)進(jìn)行涂層的制備是近年來涂層制備領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。涂層噴涂技術(shù)主要有爆炸噴涂、超音速火焰噴涂、超音速電弧噴涂、超音速等離子噴涂、冷噴涂等工藝，其中超音速火焰噴涂(HVOF)是一種高速、價(jià)廉的熱噴涂技術(shù)，噴涂過程中的焰流速率可達(dá)2 200 m/s，制備的涂層性能較為優(yōu)異，適合制備多種體系的金屬及金屬陶瓷涂層[10-11]。

目前，能夠作為表面涂層制備的材料種類繁多、各有優(yōu)點(diǎn)，其中陶瓷材料具有高硬度和良好的耐磨性、耐蝕性，是目前工業(yè)中最流行的耐磨涂層之一。比如，Cr2O3基陶瓷涂層具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性和耐蝕性，硬度高且摩擦因數(shù)低，在高溫、腐蝕性或磨損環(huán)境下是一種很有效的表面防護(hù)手段。另外，應(yīng)用較為廣泛的金屬耐磨涂層不僅具有極高的硬度與良好的耐磨能力，在耐腐蝕方面也具有突出的優(yōu)勢，其中最有代表性的是Ni60合金涂層。WC基涂層材料則是以高硬度難熔金屬的碳化物、微米級(jí)粉末為主要成分的硬質(zhì)合金，不僅具備很高的顯微硬度和良好的耐磨性，而且具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[12-19]。

本文以7055超高強(qiáng)鋁合金為研究對(duì)象，采用超音速火焰噴涂技術(shù)在基體表面分別制備Cr2O3、Ni60及WC三種涂層，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、硬度和耐磨性進(jìn)行表征，研究不同涂層的微結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響，并闡明它們的磨損機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層制備

基體材料選用尺寸為150 mm × 70 mm × 5 mm的7055高強(qiáng)鋁合金板材。噴涂前先用酒精進(jìn)行超聲波除油，再選用24#棕剛玉進(jìn)行噴砂處理，最后進(jìn)行200 ℃預(yù)熱處理。Ni60涂層的噴涂材料為粒徑15 ~ 40 μm的Ni60球形粉末，WC涂層的噴涂材料為粒徑10 ~ 45 μm的WC-12Co粉末。制備Cr2O3涂層時(shí)，先用粒徑15 ~ 53 μm的哈氏合金粉末制備過渡層，再用粒徑為15 ~ 45 μm的Cr2O3粉末制備實(shí)驗(yàn)涂層。采用JP-5000超音速火焰噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂，工藝參數(shù)如下：噴涂距離350 mm，氧氣流量520 L/min，煤油流量16 L/min，噴涂角度90°，送粉電壓4 V。

1.2 涂層的結(jié)構(gòu)表征及性能測試

采用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對(duì)涂層的物相進(jìn)行分析。利用Sigma500場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察涂層截面的顯微組織，采用ImageJ軟件計(jì)算涂層的孔隙率。采用HVS-1000B數(shù)顯轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)對(duì)涂層的顯微硬度進(jìn)行測試，載荷300 g，保壓時(shí)間12 s，每個(gè)涂層試樣隨機(jī)取8個(gè)位置進(jìn)行測試，取其平均值。采用MDW-02型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層進(jìn)行摩擦磨損性能測試，磨頭選用直徑6 mm的氧化鋯陶瓷球，載荷20 N，主軸轉(zhuǎn)速120 г/min，磨損時(shí)間20 min。采用三維輪廓掃描儀對(duì)磨痕輪廓進(jìn)行掃描，計(jì)算磨損體積與磨損率，并采用SEM觀察磨痕形貌，分析涂層的磨損機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織形貌及物相分析

從圖1a可以看出Cr2O3涂層為雙層結(jié)構(gòu)，厚度約為408 μm，表面Cr2O3涂層與基體之間有一層哈氏合金過渡層，哈氏合金明顯更致密，起到增強(qiáng)Cr2O3涂層與基體結(jié)合力的作用。從圖1b可以看出Cr2O3涂層的組織中有較多氣孔，孔隙率約為5.1%，較高的孔隙率是熱噴涂時(shí)Cr2O3顆粒未充分熔化所致。從圖1c可以看出Ni60涂層為單層結(jié)構(gòu)，厚度約為399 μm，涂層與基體的界面相互咬合，兩者屬于機(jī)械結(jié)合。從圖1d可以看出Ni60涂層的組織均勻且致密性較好，孔隙率約為0.6%，分析認(rèn)為較低的孔隙率是因?yàn)闊釃娡繒r(shí)Ni60中的金屬顆粒得到了充分熔化。另外，在Ni60涂層中彌散分布著粒徑約為1.5 μm的第二相顆粒。從圖1e可以看出WC涂層為單層結(jié)構(gòu)，厚度約為412 μm，涂層與基體的界面沒有明顯的合金化現(xiàn)象，界面結(jié)合也是機(jī)械相互咬合。從圖1f可以看出WC涂層無較大的氣孔，致密性較好，孔隙率約為1.1%，且從圖2可以看出在WC涂層組織中分布著大小不一且形狀不規(guī)則的WC顆粒。

圖1 涂層的SEM圖像 Figure 1 SEM images of coatings

圖2 WC涂層的能譜圖 Figure 2 Energy-dispersive spectrum of WC coating

從圖3可以看出Cr2O3涂層的主相為Cr2O3，但存在少量單質(zhì)鉻。鉻可以降低陶瓷涂層的脆性，提高其斷裂韌性及耐磨性[20]。Ni60涂層中含有γ-Ni(Fe)、Ni3Fe、Cr2B、Cr23C6等相。超音速火焰噴涂過程中Cr23C6會(huì)發(fā)生一定的分解，使得涂層中Cr含量增多并形成含Cr的硼化物析出相，而硼化物也屬于硬質(zhì)相，對(duì)涂層起到了彌散強(qiáng)化的作用[21]。WC涂層的相組成為W、WC、Co和W2C，而之所以有少量W相是因?yàn)樵诔羲倩鹧鎳娡窟^程中WC發(fā)生脫碳。由于溫度高，起粘結(jié)作用的粘結(jié)相Co比WC先熔化，使WC顆粒均勻緊密地覆蓋在表面。

圖3 涂層的XRD譜圖 Figure 3 XRD patterns of coatings

2.2 顯微硬度

涂層顯微硬度的提高可在很大程度上抑制涂層的塑性變形，有利于增強(qiáng)涂層的抗磨粒磨損性能[22]。因此，顯微硬度是耐磨涂層性能探究過程中主要的力學(xué)性能指標(biāo)。從圖4可以看出3種涂層的顯微硬度相對(duì)于基體都有顯著的提高。WC涂層的顯微硬度最高達(dá)到1 200 HV左右，比基體的顯微硬度(約200 HV)高了約5倍，Cr2O3與Ni60涂層的顯微硬度則均在800 ~ 900 HV之間。

圖4 7055鋁合金基體及其表面分別熱噴涂Cr2O3、Ni60和WC涂層的顯微硬度 Figure 4 Microhardness of 7055 aluminum alloy and thermally sprayed Cr2O3, Ni60, and WC coatings on it

2.3 耐磨性

根據(jù)圖5得出的不同涂層磨痕寬度和平均深度列于表1。可以看出，基體磨痕寬且深，Ni60涂層的磨痕的寬度與深度小于Cr2O3涂層，而WC涂層表面磨痕的深度與寬度都最小。

圖5 不同試樣的磨痕三維輪廓與截面 Figure 5 Three-dimensional profiles and sections of wear scars of different specimens

表1還給出了磨損體積與磨損率的計(jì)算結(jié)果。從中可知3種涂層及基體的磨損率大小關(guān)系為：基體 > Cr2O3> Ni60 > WC。與基體相比，WC涂層與Ni60涂層的耐磨性提高了至少9倍，Cr2O3涂層提高了3倍多。Cr2O3涂層雖然有較高的硬度，但涂層的組織不夠致密，孔隙較多，易應(yīng)力集中而產(chǎn)生微裂紋，對(duì)涂層的耐磨性產(chǎn)生不良影響[22-23]；Ni60涂層硬度略低于Cr2O3涂層，組織最為均勻，孔隙率最低，且涂層中有硬質(zhì)相析出，因此其耐磨性良好；而WC涂層致密，且其表面覆蓋有硬度極高的WC顆粒，所以在耐磨性上表現(xiàn)最佳。

表1 磨損試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù) Table 1 Data of wear test

2.4 磨損機(jī)制

圖6a為Cr2O3涂層磨痕放大100倍的SEM圖像，從中可以看出有明顯剝離黏著現(xiàn)象的存在，而放大至2 000倍后可以看出磨痕上有磨粒磨損所形成的裂紋和輕微犁痕(見圖6b)。由于Cr2O3涂層有許多孔隙，摩擦磨損時(shí)在壓力的作用下，表層孔隙會(huì)有微裂紋產(chǎn)生，從而導(dǎo)致表面Cr2O3等硬質(zhì)顆粒脫落，脫落的顆粒在涂層表面與磨球之間起到兩體磨損的作用，切削涂層表面而使得產(chǎn)生大量的磨屑，這些磨屑在摩擦磨損的過程中被不斷重復(fù)地?cái)D壓，于是涂層表面形成龜裂紋片[20]。此外，由于壓力的作用，涂層的一些層間結(jié)合處的孔隙 也會(huì)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致表層從涂層上剝落，在摩擦磨損壓力的作用下形成龜裂紋片[20]。因此，Cr2O3涂層的主要磨損機(jī)制為剝落磨損。從圖6c可以看出Ni60涂層的磨痕中有明顯的犁溝現(xiàn)象，放大2 000倍后可以看出磨痕上分布著大量的犁溝，這是由于Ni60涂層的主體是較軟的γ-Ni(Fe)，涂層上脫落的磨粒對(duì)涂層產(chǎn)生了切削作用[24]。因此，Ni60涂層的主要磨損機(jī)制為疲勞磨損。圖6e顯示W(wǎng)C涂層磨痕整體較為輕微，放大2 000倍后可以看出有顆粒從表層脫落形成的凹坑，這屬于疲勞磨損的形貌特征。另外，WC涂層有微裂紋存在是由于涂層中WC等硬質(zhì)相的脫落，當(dāng)這些硬質(zhì)相壓入或劃擦涂層表面時(shí)，隨壓力產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力。因此，WC涂層的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。從圖6g可以看出基體磨痕整體寬而大，在磨痕表面有犁溝和剝落坑的存在，放大2 000倍后可以看出有十分明顯的黏著現(xiàn)象(見圖6h)。這是由于鋁合金基體表面硬度較低，在與氧化鋯陶瓷球進(jìn)行摩擦磨損的過程中，后者很容易鍥入基體的表層當(dāng)中，并在基體表層內(nèi)部不斷切削，從而引起鋁合金材料的轉(zhuǎn)移和剝落[25-26]。陶瓷球與基體表面劇烈摩擦?xí)r產(chǎn)生反復(fù)的塑性變形使得部分表面的氧化膜被擠破，之前轉(zhuǎn)移和剝落的材料在基體表面就形成了黏著現(xiàn)象。當(dāng)這種過程不斷循環(huán)，就造成了磨痕表面大面積的片狀剝落。因此，基體的主要磨損機(jī)制為黏著磨損。

圖6 磨痕的SEM圖像 Figure 6 SEM images of wear scars of different specimens

3 結(jié)論

(1) 采用超音速火焰噴涂技術(shù)將Cr2O3、Ni60和WC三種粉末分別噴涂到前處理過的7055高強(qiáng)鋁合金基體表面，獲得的涂層都與基體結(jié)合良好、孔隙率適中、硬度高，均可提高基體的耐磨性。

(2) 3種涂層中WC涂層孔隙最少，WC顆粒在組織中均勻分布，涂層的顯微硬度較基體提高了約7倍，耐磨性比基體高了約12倍。

(3) 7055鋁合金基體及其表面Cr2O3、Ni60和WC涂層的主要磨損機(jī)制分別為黏著磨損、剝落磨損、疲勞磨損和磨粒磨損。