高速電弧噴涂鎳基非晶納米晶復合涂層及其磨損性能研究

商俊超，梁秀兵，郭永明，陳永雄，徐濱士

(1.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;2.裝甲兵工程學院機械產品再制造國家工程研究中心，北京100072)

重載車輛發動機在超負荷運轉、機油不足、機油黏度減小［1-2］等情況下，最小油膜厚度可能減少到使軸頸與軸瓦直接接觸而產生粘著磨損，特別嚴重時會出現軸瓦燒熔等問題而損壞發動機［3］。確保車輛有足夠的潤滑是防止損壞發動機的重要一環;如何開展對重載車輛發動機軸類件進行高科技修復，增強其表面的耐磨性能，是提高發動機使用性能、延長使用壽命亟需解決的關鍵技術問題。

文獻［4-5］對利用高速電弧噴涂修復發動機曲軸進行了系統論述。高速電弧噴涂技術在修復發動機曲軸方面具有廣闊的應用前景和巨大的潛力。筆者利用高速電弧噴涂技術在18Cr2Ni4WA軸類件基體上制備一種高非晶含量的Ni基非晶納米晶復合涂層，該涂層具有抗高溫腐蝕、高強度、耐磨性好等特點，因而可解決在極端情況下發動機燒蝕磨損問題，同時對發動機軸類件的再制造工藝進行了探討，為再制造重載車輛發動機軸類件的實際應用打下了基礎。

1 試樣制備及試驗方法

噴涂材料為自制的Φ2 mm粉芯絲材，基體材料為18Cr2Ni4WA。噴涂的主要工藝參數為:噴涂電壓34 V;噴涂電流180 A;噴涂距離180 mm;空氣壓強0.7 MPa。

在UMT-3型微動摩擦磨損試驗機上進行涂層的摩擦磨損試驗。載荷為5 N;頻率為30 Hz;時間30 min。磨損試驗采用球-面接觸方式，上試樣為Φ4.0 mm的燒結GCr15球，下試樣為Φ25.4 mm×7.9 mm的涂層圓片。采用Nova Nano SEM 650型場發射掃描電鏡觀測涂層表面微觀結構;采用D8型X射線衍射儀分析涂層的相結構，加速電壓為40 kV，電流為100 mA，衍射范圍為20°～100°，衍射速度為2°/min，步長為0.02°。采用德國NETZSCH公司的DSC 404F3型實驗儀器測得涂層的差熱分析(DSC)曲線。測試的溫度范圍為室溫至900℃，升溫速率為10 K/min，測試過程均有流動的氬氣保護。

2 試驗結果與分析

2.1 涂層的斷面形貌及成分

圖1為涂層截面組織形貌，可以看出:涂層組織均勻，幾乎看不到高速電弧噴涂涂層的典型特征，層狀結構不明顯;涂層組織結構致密，存在少量空隙，界面處沒有明顯的裂紋。

2.2 涂層的組織結構

圖2為涂層的XRD圖譜，可以看出:在40°～45°之間有較寬化的漫散射峰存在，說明涂層中有非晶相的存在;在漫散射峰上疊加了相對尖銳的晶體衍射峰，說明涂層中含有晶態物質。對XRD圖譜進行函數擬合［6］，涂層中非晶相的質量分數約為45%。

圖3為涂層的微觀組織，可以看出:涂層的微觀特征結構為非晶與多晶并存(圖中灰白色為非晶母相，灰黑色斑點為納米晶相);納米晶尺寸相對均勻，彌散分布在非晶相中，其尺寸大小約為10 nm。從涂層的電子衍射花樣可以看出:其由中心較寬的暈及漫散的環組成［7］，說明涂層中含有非晶與晶體相，與XRD試驗的結論相吻合。

圖3 涂層的微觀組織

2.3 涂層的差熱分析

如圖4所示，在DSC曲線上能觀察到一個明顯的對應非晶轉變的放熱峰，利用切線法從DSC曲線上可確定涂層非晶轉變的溫度Tg在峰值430℃附近，該放熱峰始于401.1℃，止于460.5℃，開始有γ-Ni(Cr)基納米晶固溶體析出。第2個放熱峰始于471.5℃，止于527.5℃，有少量α-Fe(Cr)基納米晶相析出。在700～750℃區間仍存在明顯的晶化反應放熱峰，這表明因為該合金體系中含有多種添加元素，其多組元的添加導致了在加熱過程中晶相析出及晶型轉變的多樣性［8-10］;該合金在加熱過程中出現了2個放熱峰，即出現了二次晶化，并在晶型轉變的同時，或伴有少量的新相析出。

圖4 涂層在10 K/min加熱速率下的DSC曲線

2.4 涂層的力學性能

圖5是涂層的顯微硬度沿截面分布圖。可以看出:涂層具有較高的硬度［11］，平均硬度為 HV625。涂層由非晶和納米晶相組成，非晶相中又彌散分布著γ-Ni(Cr)納米晶粒，起到硬質相強化的作用。

圖5 涂層的顯微硬度沿截面分布圖

表1為涂層的結合強度。結合強度的大小反映了涂層與基體的結合狀態，直接影響到涂層的可靠性，結合強度越高，涂層越牢固，可靠性越好。從表1可以看出:涂層的結合強度都在47 MPa以上，結合強度良好。

表1 涂層的結合強度 MPa

2.5 涂層的摩擦磨損性能

圖6、7分別為采用三維白光干涉表面形貌儀(Phase Shift MicroXAM-3D)測得的基體(18Cr2Ni4WA)和涂層的二維、三維形貌。以單位距離單位載荷下的磨損量作為磨損率，計算公式為K=ΔV/(F·L)［12］，式中:ΔV為磨損體積(μm3);F為摩擦力(N);L為滑動總距離(m)。計算出基體與涂層的磨損率如表2所示，可以看出:涂層的磨損率明顯小于基體材料，涂層的相對耐磨性約是基體的8倍，耐磨效果顯著。

表2 涂層與基體磨損率對比

涂層在摩擦磨損過程中，受到GCr15摩擦球的接觸應力作用，整個過程由開始的點接觸變為面接觸，應力狀態十分復雜［13-15］。另外，由于電弧噴涂層的片層狀結構［16］，以及涂層存在的扁平粒子界面、界面孔隙、裂紋、氧化物等缺陷，涂層在交變的接觸應力作用下，容易產生疲勞磨損。

圖8為涂層高倍下的磨損形貌及EDS能譜分析，可以看出:涂層為典型的疲勞磨損。涂層中的淺灰色區域(A)主要為涂層成分;在深色區域(B)，氧和Cr元素水平較高，主要為Cr的氧化物。這是因為摩擦過程產生的摩擦熱使涂層產生氧化，Cr元素與氧結合能力比Ni、Fe等元素強，故出現Cr元素富集的深色氧化區域。因氧化物薄層脆性大，在交變載荷持續作用下易發生脆性斷裂而剝落，從而形成圖中所示的片狀剝落坑。

圖8 涂層的高倍磨痕形貌

3 結論

1)利用高速電弧噴涂技術在重載車輛曲軸18Cr2Ni4WA基體上制備了NiCrBMoFe非晶納米晶涂層。涂層由非晶相和γ-Ni(Cr)相納米晶組成，非晶相質量分數約為45%。

2)該涂層具有良好的熱穩定性，較高的硬度。在相同的摩擦磨損條件下，相對耐磨性是曲軸基體18Cr2Ni4WA的8倍，耐磨性能遠優于基體材料。

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