高速電弧噴涂FeCrBSiMnNbW非晶納米晶涂層組織及性能

梁秀兵，王林磊，陳永雄，張志彬，4，郭 偉

(1.裝甲兵工程學院科研部，北京100072;2.機械產品再制造國家工程研究中心，北京100072;3.裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072;4.北京工業大學材料學院，北京100142)

Fe基非晶納米晶合金具有優異的力學性能、磁學性能、耐腐蝕和耐磨損性能等，而其主要的原材料價廉易得，使它成為發展最快的非晶合金之一［1］。但由于傳統的非晶合金材料制備工藝復雜、價格昂貴、厚成形能力差等，限制了非晶納米晶合金的應用與發展。采用電弧噴涂技術制備Fe基非晶納米晶合金涂層是近年來非晶納米晶涂層制備研究的新進展，廣泛應用于機械零部件的維修與再制造、電站重磨蝕件的防護等領域［2-4］。

近年來，隨著裝備的輕量化和高強度化，鎂合金等輕質合金的應用越來越廣泛。但因其活性高，耐磨、耐腐蝕性能差，限制了其在工業中的應用。研究［5］表明:采用高速電弧噴涂技術在鎂合金表面制備防護涂層是一種高效、優質、低成本的防護途徑。電弧噴涂過程中涂層和基體的表面溫度一般低于300℃，可以克服其他熱噴涂使鎂合金基體表面產生的高溫氧化、燒損等問題。因此，探索采用電弧噴涂技術在鎂合金基體上制備優異耐磨防腐涂層具有非常重要的意義。課題組前期利用高速電弧噴涂技術成功制備了FeBSiNb和FeCrBSi系高性能非晶納米晶涂層。研究［6-7］表明:非晶納米晶涂層組織均勻，結構致密，非晶相含量、硬度高，耐磨損性能好，是一類新型的耐磨合金涂層。為此，筆者采用自動化高速電弧噴涂技術噴涂自主研發的鐵基粉芯絲材，在AZ91鎂合金基體上制備出具有優異耐磨性能的FeCrBSiMnNbW非晶納米晶合金涂層，并對涂層的組織和性能進行了研究。

1 試驗材料與方法

選取自主設計研制的直徑為2 mm的FeCrBSiMnNbW粉芯絲材作為噴涂材料，粉芯絲材的外皮為1Cr17鐵素體不銹鋼帶;粉芯由傳統的合金粉末，如硼鐵、硅鐵等組成，采用多輥連續軋制和多道連續拔絲減徑的方法制得。選用3Cr13不銹鋼絲材作為對比材料，進行噴涂試驗。基材選用AZ91鎂合金，噴涂前進行除油、清洗、噴砂等預處理。采用裝備再制造技術國防科技重點實驗室研發的自動化高速電弧噴涂系統制備涂層，噴涂工藝參數:噴涂電壓為36 V;噴涂電流為180 A;空氣壓力為0.7 MPa;噴涂距離為200 mm。相同工藝參數下噴涂3Cr13不銹鋼涂層作為對比。

采用Philips Quanta 200型掃描電子顯微鏡及日立H800型透射電鏡對涂層的微觀形貌、組織結構進行分析，采用島津DIFFRACTOMETER-6000型X射線衍射儀對涂層進行相結構分析。采用HXD-1000TM/LCD數字式顯微硬度計測量涂層表面的維氏硬度值，載荷1.96 N，加載時間15 s，隨機選取表面5個位置進行測試，測試前對涂層表面進行研磨、拋光、超聲清洗等。參照 GB 9796-88在 WDWE100D電子式萬能試驗機上測試涂層與基體的結合強度。使用UMT-2型摩擦磨損試驗機測試涂層材料的耐磨損性能，潤滑油選用CD15W/40長城潤滑油，對偶摩擦副選用直徑為4 mm的Si3N4陶瓷球(硬度24.5 GPa)。試驗前涂層表面需要進行研磨、拋光、清洗處理。采用OLS400型3D激光掃描顯微鏡對涂層材料的磨損量進行觀測計算。

2 試驗結果與分析

2.1 涂層的顯微組織

圖1為FeCrBSiMnNbW非晶納米晶涂層的XRD圖譜。從圖1可以看出:在2θ=44.5°的地方有一個漫散射峰，這是典型的非晶態的XRD圖譜，證實了噴涂過程中形成了非晶相。圖譜中還存在強度較低的晶化峰，說明在沉積過程中形成了少量的晶體相，經分析主要為α-Fe(Cr)。此外，圖譜中沒有發現氧化物峰，說明涂層在沉積過程中很少發生氧化。

圖1 FeCrBSiMnNbW非晶納米晶涂層XRD圖譜

圖2 2種涂層表面SEM形貌

圖2為FeCrBSiMnNbW非晶納米晶涂層和3Cr13涂層表面SEM形貌。圖2(a)是Fe基非晶納米晶涂層的表面形貌，可以看出:涂層呈層狀結構，粒子鋪展良好，而且粒子表面非常干凈，說明合金體系具有良好的潤濕性能，凈化作用也非常明顯。這是因為所設計的合金體系中添加了特定比例的B/Si元素，使得合金系的脫氧、凈化作用顯著。噴涂過程中，熔滴與基體高速碰撞，呈扁平狀鋪展;然后相互搭接、堆積，形成涂層。變形良好的扁平狀粒子在相互搭接、堆積過程中也降低了涂層的孔隙率，提高了其致密度。利用圖像分析軟件測試非晶納米晶涂層的平均孔隙率為1.8%。微區EDS分析其化學組成為Fe、Cr、B、Si、Nb、Mn、W，其原子數分數分別為64.31%、9.22%、18.71%、4.62%、1.16%、1.43%、0.55%。

與Fe基非晶納米晶涂層相比，3Cr13涂層組織形貌顯得粗糙，雜亂堆錯，如圖2(b)所示。經掃描電鏡分析發現:3Cr13涂層的致密度比較低，孔隙率較高，約為4%。此外EDS分析涂層中氧含量比較高，質量分數約為17%，也遠高于Fe基非晶納米晶涂層中2%氧質量分數。

圖3為Fe基非晶納米晶涂層的TEM分析結果。衍射花樣由中心較寬的暈及漫散的環組成，這是非晶態的典型特征，說明涂層在形成過程中形成非晶區域。同時在漫散的非晶衍射環上還分布著一系列小的多晶衍射斑點，經標定主要是體心立方結構的α-Fe(Cr)相;此外，非晶母相上分布的顆粒中還夾雜著一些白色和黑色的小顆粒，經標定分別為α-Fe和α-Fe19Mn。相應區域的微區電子衍射圖也可以說明這部分涂層是非晶和多晶混合涂層，納米晶鑲嵌于殘余的非晶相中，并均勻分布在非晶相基體上，其尺寸分布為30～80 nm。

CrBSiMnNbW非晶納米晶涂層TEM表征結果

2.2 涂層的常規力學性能

涂層顯微硬度測試結果如表1所示，為2種涂層表面的維氏硬度值。Fe基非晶納米晶體涂層的平均維氏硬度為HV0.2=866.7，約為3Cr13涂層的2倍。表2為涂層與基體的結合強度測試，可以看出:Fe基非晶納米晶涂層與基體的結合強度值高于3Cr13涂層與基體的結合強度值。這主要是由于非晶納米晶涂層組織得到改善，使得其具有良好的潤濕性，而且涂層組織均勻、致密，氧含量低，進一步提高了涂層和基體的結合強度。

表1 涂層顯微硬度測試結果

表2 涂層與基體的結合強度測試值

2.3 涂層的耐磨損性能

FeCrBSiMnNbW涂層和3Cr13涂層材料在載荷為10 N、速度為300 r/min、油潤滑條件下的摩擦因數曲線如圖4所示。可見:Fe基非晶納米晶涂層材料的摩擦因數較低。涂層在油潤滑條件下具有較低的摩擦因數與涂層的微觀組織特性相關，涂層在沉積過程中存在的微孔隙具有儲油功能，可改善摩擦副之間的潤滑條件。

圖4 FeCrBSiMnNbW涂層和3Cr13涂層的摩擦因數

圖5 2種涂層的磨損量隨時間變化情況

圖5是Fe基非晶納米晶涂層和3Cr13涂層材料在載荷為10 N、速度為300 r/min條件下的磨損量隨時間變化曲線。可以看出:Fe基非晶納米晶涂層材料具有良好的耐磨性，其耐磨損性能優于3Cr13涂層;在30 min后，Fe基非晶納米晶涂層材料的耐磨性能約為3Cr13涂層的4倍。與3Cr13涂層相比，Fe基非晶納米晶涂層具有較高的硬度，可以更好地抵抗塑性變形。此外，Fe基非晶納米晶涂層組織均勻，結構致密，涂層中氧含量較低，內聚強度較高，具有良好的抗剝層磨損能力。因此，Fe基非晶納米晶涂層表現出優異的耐磨損性能。

2.4 涂層磨損失效分析

圖6為Fe基非晶納米晶涂層和3Cr13涂層在載荷為20 N、速度為300 r/min、時間為900 s條件下的磨痕形貌。磨損表面存在微裂紋、點蝕和剝落坑，微區EDS分析結果如表3所示。從圖6(a)可以看出，非晶納米晶涂層的磨損表面主要可分為2種區域:顏色較亮、深凹的光滑區A和顏色較淺、非光滑區B。EDS分析A區氧質量分數很低，主要是氧化膜破裂后暴露出的新鮮涂層組織;顏色較淺的非光滑區域B中氧質量分數較高，約為1.4%，說明磨損面上存在少量的氧化物，為涂層表面的氧化膜。由于涂層硬度高，且在滑動摩擦過程中受到油膜的保護，因此其氧化物薄膜比較少，磨損過程中的動態氧化程度也低于干摩擦條件下的氧化磨損。在圖6(b)中，3Cr13涂層的磨損表面較為粗糙，存在大量的剝落坑，而且剝落坑連成一片。對圖6(b)中區域A和B進行EDS分析可知:磨損表面氧質量分數非常高，約為12%。區域A主要是表層組織剝落后形成新的氧化膜和暴露出的新鮮組織;區域B氧質量分數也較高，這是由于3Cr13涂層層間氧化物比較多，盡管受到油膜的保護，在摩擦過程中也會發生氧化磨損。

圖6 2種涂層表面失效形貌

表3 涂層表面不同選區的EDS結果

由于3Cr13涂層硬度低，塑性變形抗力較差，涂層中夾雜的氧化物較多，加上其組織疏松，孔隙率高，使得涂層的剝層抗力較弱。在較大交變接觸壓應力長期作用下，涂層表面發生塑性變形，產生位錯增殖和運動，隨后在變形層內產生位錯塞積和空位，并在表層下萌生裂紋并擴展。裂紋擴展到一定深度后與表層材料形成脆弱的“懸臂梁”，在切應力的作用下產生斷裂和剝落。另外，涂層中微裂紋、氣孔也為裂紋的萌生和擴展提供了條件，加劇了摩擦磨損。其磨損失效機制主要為脆性剝落和氧化磨損［8］。

與3Cr13涂層相比，Fe基非晶納米晶涂層材料組織均勻致密，氧化物含量和孔隙率低，硬度和內聚強度高，使得涂層具有較好的塑性變形抗力。而且，涂層組織主要是由硬質的非晶相和彌散分布在其中的納米晶組成，納米晶在涂層中起到彌散強化的作用，在磨損過程中可以阻止裂紋的擴展，使得非晶納米晶涂層具有優異的耐磨損性能。其磨損失效機制主要為脆性剝落。

［1］ 梁秀兵，程江波，白金元，等.鐵基非晶納米晶涂層組織與沖蝕性能分析［J］.焊接學報，2009，30(2):61-64.

［2］ Georgieva P，Thorpe R，Anski A，et al.An Innovation Turnover for the Wire Arc Apraying Technology［J］.Advanced Materials ＆Processes，2006，164(8):68-69.

［3］ Branagan D J，Breitsameter M，Meacham B E，et al.High-Performance Nanoscale Composite Coatings for Boiler Application［J］.Journal of Thermal Spraying Technology，2005，14(2):196-204.

［4］ Liang X B，Cheng J B，Bai J Y，et al.Erosion Properties of Febased Amorphous/Nanocrystalline Coatings Prepared by Wire Arc Spraying Process［J］.Surface Engineering，2010，26(3):209-215.

［5］ 蘆笙，付麗，陳靜.鎂合金熱噴涂研究進展［J］.江蘇科技大學學報，2010，24(3):249-252.

［6］ 梁秀兵，徐濱士，魏世丞，等.熱噴涂亞穩態復合涂層研究進展［J］.材料導報，2009，23(3):1-4.

［7］ Cheng J B，Liang X B，Xu B S，et al.Formation and Properties of Fe-based Amorphous/Nanocrystalline Alloy Coating Prepared by Wire Arc Spraying Process［J］.Journal of Non-crystalline Solids，2009，355(34/36):1673-1678.

［8］ 劉家浚.材料磨損原理及其耐磨性［M］.北京:清華大學出版社，1993.