三種熱噴涂涂層耐磨性能的研究

    分類：噴涂技術  

    摘要:通過采用平穩加載往復滑動和動態加載沖擊劃痕2種試驗條件，研究了以鈷基合金為重點的3種熱噴涂涂層的耐磨性，并初步探討了其磨損機理。結果表明:3種涂層在滑動摩擦過程中的磨損機制為微切削和犁削；在沖擊劃痕條件下材料流失方式則以鑿削和斷裂為主。試驗結果證實，熱噴涂涂層的耐磨性不僅與其宏觀硬度有關，還與涂層的塑性、脆性及內聚強度密切相關。

    關鍵詞:熱噴涂涂層；耐磨性；塑性；脆性；內聚強度

    鈷基合金以其優良的高溫性能及摩擦學性能而在渦輪葉片上獲得應用，但因其價格昂貴而促使人們以鈷基合金涂層來代替整體合金。隨著對航空發動機技術要求的提高，如高性能、高翻修壽命以及高可靠性等，工藝簡便、用材廣泛、適用于各種基體的熱噴涂技術得到迅速發展。從提高耐磨性出發，優選應用于發動機渦輪葉片的涂層，對延長發動機的使用壽命和降低成本具有重要意義。有關熱噴涂涂層的應用及耐磨性的研究報道較多[1～4]，但迄今國內對鈷基合金涂層耐磨性的研究報道很少，且多以提高涂層宏觀硬度的方法來提高涂層耐磨性。本文作者選擇宏觀硬度大體相當的鈷基合金涂層Greatwall-1、X-40以及Cr3C2-NiCr涂層作為研究對象，通過不同的加載方式，研究涂層的塑、脆特性及內聚強度的差別對其耐磨性能的影響。

    1       實驗部分

    1.1     試驗材料

    以1Cr18Ni9不銹鋼為熱噴涂的基體材料，片狀樣品尺寸為45mm×25mm×3mm；采用等離子噴涂方法制備3種涂層，涂層厚度均為0.3mm。在進行摩擦磨損試驗前對所有涂層試樣進行研磨，使其表面粗糙度Ra均在1μm以下。采用DXT-3型數顯硬度計，按HR-15N標準測定涂層的宏觀硬度。2種鈷基合金和Cr3C2-NiCr涂層粉末原料的化學成分以及各涂層的宏觀硬度見表1（略）。

    1.2 試驗設備與方法

    在MT8-002型往復式滑動摩擦磨損試驗機上進行平穩加載摩擦磨損試驗，對摩銷試樣為金剛石洛氏硬度壓頭，錐角120°，頂部曲率半徑200μm。試驗條件:平均滑動速度0.01m/s，往復距離8.5mm，載荷5N、10N和15N，試驗時間1h。用2201型表面形貌儀測量磨痕的截面積并據此計算磨損體積損失，以單位磨損行程下的磨損體積損失評價涂層的耐磨性能。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同載荷下磨痕表面形貌，分析探討平穩加載條件下涂層的磨損機制和塑、脆性能。

    單擺沖擊劃痕試驗可以用來研究材料在沖擊加載條件下的摩擦學行為，特別是能夠用來考察材料的塑、脆性能[5～7]。試驗選定初始擺角為80°，入侵速度為2.1m/s。自由釋放擺錘，令安裝在擺錘下端的圓錐狀硬質合金(YG6)劃頭在試樣表面劃出一系列深淺不同的弧形槽。根據劃痕前后的擺角差，計算出每次劃痕所消耗的能量；根據表面形貌儀和讀數顯微鏡測出的結果計算劃痕體積和表面積。

    用劃痕單位體積及單位面積上所消耗的能量，即比能耗和內聚能來表征涂層的耐沖擊磨損性能及層間內聚強度。對各涂層在相同試驗參數下的沖擊劃痕形貌進行SEM對比分析，觀察涂層的破壞形貌特征，并討論其塑、脆性能。

    2 結果與討論

    2.1     平穩加載下涂層的耐磨性

    在滑動干摩擦試驗中，測量3種載荷下各涂層的磨損量(單位磨損行程下的體積損失)，以單位載荷下的磨損量作為磨損率，用其倒數的大小來衡量涂層材料的耐磨性即抗滑動磨損能力。3種涂層的磨損量與載荷的關系如圖1（略）所示，各磨損曲線的斜率即該涂層的磨損率。可以看出，在本試驗載荷范圍內，涂層的磨損率與載荷無關，但宏觀硬度相近的3種涂層的耐磨性相差很大。通過計算發現，X-40鈷基合金涂層的磨損率最低，約為Greatwall-1鈷基合金涂層磨損率的九分之一，而Cr3C2-NiCr涂層的磨損率居于二者之間。X-40涂層、Cr3C2-NiCr涂層、Greatwall-1涂層三者的相對耐磨性為8.9:3.8:1.0。