零件表面耐磨耐蝕多層涂層的結構設計

孫全芳

摘 要：零件的磨損腐蝕失效幾乎都是從表面開始的，多層涂層提高金屬零件耐磨耐蝕性能效果非常明顯，針對多層涂層的耐磨耐蝕功能，本文選擇了鎳基自潤滑材料，設計了三種結構的多層涂層。

關鍵詞：耐磨耐蝕；多層涂層；自潤滑；結構設計

磨損和腐蝕是機械設備零部件最常見的失效形式，對因磨損、腐蝕等原因所造成的零件失效研究表明，磨損和腐蝕破壞幾乎都是從表面開始，表面局部損傷逐漸發展，最終造成整個零件的失效。因此，對零件進行表面改性處理來提高抗磨損抗腐蝕性能等成為材料學科研究的熱點之一，熱噴涂涂層技術是零件表面改性處理的重要的技術。

涂層結構不僅影響涂層與基體的界面，而且影響涂層的制備工藝和制備成本，對熱噴涂涂層的性能影響非常大。因此，合理的涂層結構設計對提高涂層性能和降低制備成本具有重要意義。目前，熱噴涂涂層，在結構上存在四種形式，即雙層涂層、三層涂層、梯度涂層和階梯復合涂層。

一、涂層設計中的關鍵問題：

（一）涂層抵抗環境的化學作用性。改善涂層抵抗環境化學作用性的途徑有：（1） 選擇對環境介質有足夠化學惰性的涂層材料。（2） 采用不同涂層材料組成復合涂層，利用優勢互補，阻止或延緩環境介質與涂層之間的相互作用。

（二）涂層與環境的熱匹配性。涂層與環境的熱匹配性是指涂層適應環境溫度變化的能力。當環境溫度變化時，涂層內產生的熱應力不導致涂層剝落。

改善涂層與環境熱匹配性的途徑有：（1）選擇與基體線膨脹系數相近的涂層材料。（2）通過涂層結構設計，使涂層與基體之間的熱應力最小。

（三）涂層與環境的力學相容性。涂層與環境的力學相容性是指涂層在工作時的力學穩定性，即涂層與基體的結合性和涂層的抗磨損性。提高涂層對環境的耐磨性的措施有：（1）根據磨損機制，選取相應的涂層材料，例如抗磨粒磨損，應選用高硬度涂層，而抗粘著磨損，則應選用具有自潤滑作用的材料。（2）選取適當的金屬粘結層材料和涂層結構，提高涂層的結合強度。

（四）涂層制備工藝所帶來的問題。采用熱噴涂技術制備涂層，存在三大問題：（1）涂層的層狀組織結構，決定了涂層的多孔性。多孔的涂層對涂層的抗氧化性和抗腐蝕性有較大的影響。（2）涂層與基體及涂層間的機械鑲嵌和微冶金結合，導致涂層的結合強度較低。（3）涂層與基體物理、化學性質上的差異，導致制備涂層時，涂層內存在較大的殘余應力。熱噴涂技術中的這三大問題，通過涂層結構設計，可使其危害性減小。

二、耐磨耐蝕涂層設計

（一）涂層材料系確定。耐磨耐蝕涂層是用于保護基體不受高硬度配副磨損和腐蝕介質腐蝕。MoS2具有良好的自潤滑性能，Ni包MoS2具有較高的硬度和強度，鎳的包覆保護，使MoS2在有氧環境噴涂中不易分解，具有較好的減磨耐磨耐蝕性能，因此，選用Ni包MoS2作為工作層。

Ni包C硬度強度都低，是一種軟質涂層，石墨具有典型的密排六方結構，同一平面層中碳原子的距離a=0 142nm，不同層面之間碳原子的距離c=0 340nm。每個碳原子與同一平面層中的其它3個碳原子以強的共價鍵結合的同時，還要與鄰近平面層中的碳原子以較弱的電子鍵結合。平面層與平面層之間的碳原子的結合力要比同一層內碳原子間的結合力小100多倍。當涂層中的石墨受到摩擦力切向作用時，層面容易發

生解理，表現為低摩擦因數的層間滑移。Ni包C層作為中間層，可以使涂層工作層受到剪切力時，兩層之間產生一定程度滑移，從而抵抗裂紋的產生，對耐磨性有利。

中間層是軟質涂層，涂層中含有自潤滑軟相，組織較疏松，與基體結合性差，改善界面結合最直接的辦法就是在涂層與基體間制備一層過渡層，使該過渡層的性能介于涂層與基體之間，且與涂層和基體均有良好的結合，由此緩解界面突變的問題，Ni60涂層與中間層都屬鎳基涂層，且硬度和強度都很高，因此選用Ni60涂層作為粘結層。

（二）涂層結構設計。要求涂層同時具有減磨耐磨特性，在結構上要考慮以下幾個方面：（1）針對涂層的減磨耐磨性，采用

Ni包MoS2作為工作層，鎳基涂層組織致密，耐磨損性能好，結合強度高，MoS2作為潤滑相，能夠減小涂層的摩擦系數。（2）針對線膨脹系數的要求，各層材料均選用鎳基粉末；中間過渡層選用Ni包C，該涂層是一種軟涂層，孔隙率高，作為中間過渡層在涂層工作時起到彈簧墊式的緩沖作用，并且中間層的厚度對涂層的性能有較大的影響。

根據每種涂層材料所起的作用不同，經過組合，設計了三種多層涂層結構及三種單層涂層，見圖a，涂層厚度都為300-350μm，其中多層涂層粘結層都為60-80μm，為了比較中間層厚度對多層涂層性能的影響，設計了不同厚度的中間過渡層，一種涂層中間層厚度為80μm，另外一種涂層為120μm。