等離子噴涂Ti涂層的微觀組織及摩擦磨損性能研究

朱建勇，覃思思，歐陽(yáng)晟，黃 杰，韓旭航，李晨龍，王躍明

（1.湖南省冶金材料研究院有限公司 粉末冶金與金屬陶瓷研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410129；2.湖南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

鈦及鈦合金具有高熔點(diǎn)、無(wú)磁性、低熱膨脹系數(shù)、高比強(qiáng)度和比剛度、良好的耐腐蝕及耐生物侵蝕等諸多優(yōu)異特性，已成為航空航天飛行器、海洋艦艇等領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料，被稱為“21世紀(jì)的鋼鐵”［1-3］。由于鈦的價(jià)格較高，而熱噴涂制備涂層厚度一般小于0.5 mm，可大幅減少鈦的消耗，且對(duì)零部件形狀要求不高，噴涂工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，采用熱噴涂的方法在鐵基或鋁基零部件表面制備鈦涂層以達(dá)到防腐耐磨目的是一種降低成本的優(yōu)選方案。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常采用低壓等離子噴涂、冷噴涂、超音速等離子噴涂、可控氣氛等離子噴涂、高速火焰噴涂及低壓電弧噴涂制備鈦涂層［4-12］。然而，上述噴涂方法對(duì)噴涂粉末要求較高，且設(shè)備昂貴，涂層制備成本高昂，限制了其推廣應(yīng)用。大氣等離子噴涂技術(shù)對(duì)噴涂設(shè)備及鈦粉均要求不高，鈦涂層制備成本相對(duì)低廉。為此，本文分別以Ti及TiH2為原料粉末，采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備了Ti涂層，并對(duì)比分析了兩種不同原料粉末所制備Ti涂層的顯微形貌、物相組成、顯微硬度及摩擦磨損性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用Ti粉及TiH2粉純度分別為99.0%及99.6%，平均粒度均約74μm。本文選用304不銹鋼為基體材料，其尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為150 mm×30 mm×8 mm。為防止噴涂過(guò)程中粉末堵塞送粉軟管，需先將其置于干燥箱中100℃下干燥1 h。采用DH-1080等離子噴涂設(shè)備（最大功率80 kW）開(kāi)展大氣環(huán)境等離子噴涂試驗(yàn)，工藝參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 大氣等離子噴涂工藝參數(shù)

線切割20 mm×20 mm的Ti涂層摩擦試驗(yàn)樣品，在HRS-2M型高速往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐磨損試驗(yàn)，對(duì)偶磨球?yàn)橹睆? mm的軸承鋼球，載荷為10 N，速率為180 r／min，時(shí)間為30 min；采用分析天平稱量涂層摩擦試驗(yàn)前后重量；采用Buehler 5410維氏硬度計(jì)測(cè)定涂層樣品顯微硬度，加載25 g，加載時(shí)間15 s，測(cè)6個(gè)點(diǎn)后取平均值；采用日本理學(xué)D／ruax2550PC型X射線衍射儀分析樣品物相組成，選用Cu靶Kα射線，電壓40 kV，電流300 mA，掃描速度2θ／min，步長(zhǎng)0.02°；采用Quanta 200FEG場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察粉末、大氣等離子噴涂樣品顯微結(jié)構(gòu)及摩擦表面形貌，并深入分析涂層的摩擦磨損機(jī)制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 噴涂粉末的微觀結(jié)構(gòu)和物相分析

大氣等離子噴涂用粉末SEM形貌像如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，Ti粉及TiH2粉末顆粒均為不規(guī)則多角形顆粒，尺寸及形態(tài)各異。經(jīng)檢測(cè)，Ti粉粒度主要分布于30～100μm，TiH2粉粒度主要分布于10～120μm，Ti及TiH2粉末松裝密度分別為1.69 g／cm3及1.21 g／cm3。粉末顆粒的不規(guī)則形狀將影響其流動(dòng)性，從而影響等離子噴涂Ti涂層質(zhì)量。

圖1 大氣等離子噴涂用粉末SEM形貌像

等離子噴涂用Ti粉及TiH2粉的XRD圖譜如圖2所示，由圖2可見(jiàn)，等離子噴涂用Ti粉XRD圖譜中僅可見(jiàn)Ti的衍射峰，TiH2粉XRD圖譜中僅可見(jiàn)TiH2衍射峰，均未見(jiàn)其他雜質(zhì)的衍射峰，表明噴涂粉末的純度較高，不會(huì)污染Ti涂層。

圖2 等離子噴涂用Ti粉及TiH2粉的XRD圖譜

2.2 等離子噴涂Ti粉及TiH2粉涂層的微觀結(jié)構(gòu)和物相分析

大氣等離子噴涂Ti粉及TiH2粉涂層橫截面SEM照片如圖3所示。由Ti粉經(jīng)等離子噴涂制備Ti涂層截面形貌圖3（a）可見(jiàn)，Ti涂層厚度約為150～200μm。由涂層與基體界面局部放大的截面圖3（b）可見(jiàn)，等離子噴涂Ti涂層為熱噴涂層典型的層片結(jié)構(gòu)，涂層與基體界面呈機(jī)械咬合，層片結(jié)合部位可觀察到孔隙及微觀縫隙。TiH2粉末經(jīng)等離子噴涂所制備Ti涂層厚度也比較均勻，約100～150μm，如圖3（c）所示。由局部放大的截面形貌圖3（d）可見(jiàn)，Ti涂層為典型的層片結(jié)構(gòu)，涂層與基體界面結(jié)合緊密，涂層內(nèi)部層片結(jié)合部位存在一些微細(xì)孔隙。分析表明，等離子噴涂過(guò)程中，高速熔融粒子撞擊到已凝固的沉積層表面時(shí)，對(duì)粗糙表面的不完全填充及粒子之間的不完全結(jié)合，不可避免地在粒子層間結(jié)合部位產(chǎn)生孔隙和微觀縫隙。

圖3 大氣等離子噴涂Ti粉及TiH2粉涂層橫截面SEM照片

Ti與TiH2粉經(jīng)大氣等離子噴涂所制備Ti涂層的XRD衍射圖譜如圖4所示，由圖4可見(jiàn)，Ti粉經(jīng)等離子噴涂所制備的Ti涂層X(jué)RD圖譜中主衍射峰為T(mén)iO，Ti的衍射峰相對(duì)較弱。而TiH2粉所制備的Ti涂層X(jué)RD圖譜中主衍射峰為T(mén)i，TiO衍射峰相對(duì)較弱。分析表明，大氣等離子噴涂過(guò)程中Ti粉與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，因而XRD圖譜中可觀察到較強(qiáng)的TiO主衍射峰。而TiH2粉末在等離子焰流的高溫條件下分解為T(mén)i與H2，H2氣包覆在Ti粉末及Ti涂層表面，從而有效避免了涂層氧化，涂層中TiO含量相對(duì)較少。

圖4 Ti與TiH 2粉經(jīng)大氣等離子噴涂所制備Ti涂層的XRD衍射圖譜

顯微硬度是評(píng)價(jià)等離子噴涂Ti涂層的重要指標(biāo)表之一。Ti的氧化物硬度較高，在涂層中以硬質(zhì)相形式存在，彌散強(qiáng)化作用顯著。隨著氧化物含量的增加，Ti涂層硬度增加，因而涂層硬度的大小可反映出其Ti的氧化程度。經(jīng)測(cè)試，304不銹鋼基材硬度分布均勻，約135.7 HV0.025。TiH2粉所制備Ti涂層顯微硬度約350.2 HV0.025，而Ti粉所制備Ti涂層顯微硬度高達(dá)692.1 HV0.025。分析表明，TiH2粉所制備的Ti涂層中TiO含量低，Ti涂層硬度偏低。而Ti粉所制備的Ti涂層中TiO含量高，導(dǎo)致涂層硬度高、脆性大［13］，Gkomoza［14］、季珩及查柏林也報(bào)道了類似的試驗(yàn)現(xiàn)象［15-16］，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 等離子噴涂Ti涂層的摩擦磨損性能

摩擦表面SEM照片如圖5所示，由圖5（a）可見(jiàn)，304不銹鋼基體摩擦表面存在大量的犁溝和劃痕以及剝落坑，其中犁溝深而寬、劃痕深，摩擦膜表面剝落面積大，呈現(xiàn)出較為明顯的塑性流動(dòng)和粘著特征，這說(shuō)明其磨損機(jī)理為磨粒磨損和粘著磨損。由圖5（b）中可見(jiàn)，TiH2粉所制備Ti涂層磨損表面存在大小不一的涂層剝落坑，剝落坑周邊隱約可見(jiàn)一些平行于滑動(dòng)方向的犁溝，磨痕明顯，可知該涂層磨損機(jī)制屬于粘著磨損，同時(shí)存在磨粒磨損。Ti粉所制備Ti涂層的磨痕表面（圖5c）存在一些微細(xì)的劃痕和較多的微小磨粒，說(shuō)明該涂層磨損機(jī)制以磨粒磨損為主。圖5（c）中觀察不到大的磨痕，涂層摩擦表面光滑，表現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性能。分析表明，304不銹鋼基體硬度較低且缺乏硬質(zhì)相支撐，摩擦過(guò)程中很容易被軸承鋼對(duì)磨球表面微凸體切入，形成犁溝，且摩擦膜中存在大量的Fe，易于形成“粘著”效應(yīng)，這也與其摩擦系數(shù)-摩擦?xí)r間關(guān)系曲線的變化趨勢(shì)相符合。TiH2粉所制備涂層硬度相對(duì)于304不銹鋼基體硬度有一定的提高，但硬度仍偏低，在一定程度上無(wú)法有效抵抗軸承鋼球?qū)ζ涞睦缦髯饔?，但相?duì)于304不銹鋼基體而言已有所提高。而Ti粉所制備涂層中TiO硬度較高，在涂層中以硬質(zhì)相形式存在，而高顯微硬度的硬質(zhì)相能有效地阻礙磨球?qū)ν繉拥那邢髯饔茫欣谔岣咄繉拥目鼓p性能。

圖5 摩擦表面SEM照片

304不銹鋼基材與Ti涂層摩擦系數(shù)曲線如圖6所示，由圖6可見(jiàn)，304不銹鋼基材摩擦系數(shù)一直處于上升趨勢(shì)，開(kāi)始急劇上升，然后緩慢上升，在此過(guò)程中摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，穩(wěn)定性較差，其平均值為0.648。TiH2粉制備Ti涂層的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先升高，而后緩慢下降，最后基本維持穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，其平均摩擦系數(shù)為0.294，相對(duì)基體而言有較大幅度下降，且其穩(wěn)定性優(yōu)于基體。相對(duì)而言，Ti粉所制備的Ti涂層的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化幅度要平穩(wěn)的多，其平均值僅為0.173，這表明Ti粉制備的Ti涂層的減磨性能要明顯優(yōu)于TiH2粉制備的涂層。分析表明，TiH2粉制備的Ti涂層相對(duì)基材而言其硬度有所提高，有效地減小了接觸應(yīng)變，而且涂層中所含的Ti有助于連續(xù)穩(wěn)定摩擦膜的形成，因此在摩擦開(kāi)始階段，磨合過(guò)程明顯更為柔和。而當(dāng)摩擦膜形成后，由于Ti元素的氧化，使得摩擦膜含有一定量的低熔點(diǎn)TiO，從而有效抑制了摩擦過(guò)程中的“粘著”效應(yīng)，因此在摩擦過(guò)程后期，摩擦系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。而Ti粉制備涂層硬度明顯高于TiH2粉制備的涂層，更能有效的抑制“粘著”效應(yīng)，所以其摩擦系數(shù)在平均值上下波動(dòng)極小，磨損非常穩(wěn)定。此外，相對(duì)于TiH2粉所制備涂層而言，Ti粉制備涂層TiO含量更高，能更加快速有效的形成摩擦膜，因而該涂層摩擦系數(shù)曲線在初始階段就很平穩(wěn)，波動(dòng)小。

圖6 304不銹鋼基材與Ti涂層摩擦系數(shù)曲線

載荷為10 N、轉(zhuǎn)速180 r／min、時(shí)間1 800 s條件下304不銹鋼基材與Ti涂層磨損量直方圖如圖7所示，由圖7可見(jiàn)，Ti粉制備的Ti涂層的磨損量?jī)H為5.8 mg，TiH2粉制備的Ti涂層磨損量為9.9 mg。而304不銹鋼基體磨損量高達(dá)32.8 mg，顯著高于兩種Ti涂層，說(shuō)明Ti涂層的耐磨性能優(yōu)于304不銹鋼基材。

圖7 304不銹鋼基材與Ti涂層磨損量直方圖

3 結(jié) 論

1.Ti及TiH2原料粉末均為多角形顆粒，兩種粉末經(jīng)大氣等離子噴涂制備的Ti涂層呈明顯層片結(jié)構(gòu)，厚度比較均勻，約100～200μm。Ti粉所制備Ti涂層X(jué)RD圖譜中可觀察到以TiO為主的衍射峰，Ti的衍射峰值相對(duì)較弱。而TiH2粉所制備的Ti涂層X(jué)RD圖譜中的主衍射峰為T(mén)i，TiO的衍射峰值較弱。

2.Ti粉所制備的Ti涂層摩擦系數(shù)及磨損量?jī)H為0.179及5.8 mg，TiH2粉末所制備的Ti涂層摩擦系數(shù)及磨損量分別為0.294及9.9 mg，而304不銹鋼基體則分別高達(dá)0.648及32.8 mg，說(shuō)明Ti涂層的耐磨性能明顯優(yōu)于304不銹鋼。