大氣等離子噴涂氧化鈦基復合陶瓷涂層的組織結構與摩擦學性能研究

吉世文

摘 要：采用大氣等離子噴涂技術制備了氧化鈦-11 wt. % 氧化鋁涂層。采用能譜分析儀對涂層成分進行了分析，用掃描電子顯微鏡對粉末和涂層截面進行了表征，采用摩擦磨損試驗機對涂層在干摩擦條件下的摩擦學性能進行了分析。結果表明，大氣等離子噴涂技術制備的氧化鈦基陶瓷涂層結構致密，孔隙率為3.65%，且無明顯裂紋和缺陷，其平均顯微硬度能達到約827HV0.1。在干摩擦條件下主要發生的是磨粒磨損和脆性剝落。相比于傳統的GCr15鋼基體，該涂層具有更為優異的摩擦學性能，可以更好地滿足實際零件減摩耐磨的要求。

關鍵詞：氧化鈦基陶瓷涂層；顯微硬度；孔隙率；干摩擦

中圖分類號：TG174.442+.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.016

目前，機械關鍵設備零部件表層的主要形式是磨損和腐蝕，每年由腐蝕和磨損導致的國民經濟的損失都相當巨大。據相關統計，有75%～82%的機械構件是因為設備表層摩擦磨損而導致的嚴重的損壞報廢。報廢的機械零部件常年失修，沒有得到及時的維護、保養、回收和利用。熱噴涂技術是指利用某種熱源將噴涂材料迅速加熱到熔化或半熔化狀態，再經過高速氣流或焰流使其霧化加速噴射在經預處理的零件表面上，形成的一種具有功能性質的表面涂層的加工方法。該技術常應用于機械裝備表面的防護與強化，能夠極大程度地提高工業機械裝備的使用壽命。由于涂層的厚度微觀精確可控，從而能夠噴涂因為腐蝕、磨損等失效的機械構件的表面。這樣，成功實現了廢舊工業裝備的回收與再利用，降低了原材料和能源的消耗，大幅度減少了企業的購置所需的原材料和相關能源消耗，使企業的生產成本降低，最終顯著提高了企業的社會影響力和綜合經濟效益。

目前，實際工業生產中用作減摩耐磨的陶瓷涂層多為NiCr/Cr3C2、WC/Co 涂層、Al2O3/TiO2系列涂層等，而將TiO2作為基體的耐磨涂層的相關應用與報道則甚少。熱噴涂氧化鈦陶瓷涂層主要應用在中等載荷下的對摩副中，例如軸承、泵密封裝置和內燃機缸套內表面的防護。由文獻知，噴涂過程中致密的TiO2粉末具有較高的沉積效率， 與原始構件材料的表面具有較高的結合強度，所致得的涂層氣孔率低，十分致密，容易拋光成較光潔的鏡面。值得注意的是，TiO2涂層的熱擴散率隨服役環境溫度的升高而增大，這可以提高該種涂層的抗摩擦磨損性能（涂層材料的熱擴散率越大，其磨損率越小）。但是，TiO2涂層在所有陶瓷涂層中硬度較低，斷裂韌性較差，這也在一定程度上限制了該種涂層向更為苛刻服役工況下的應用。

本論文在原有氧化鈦涂層的基礎上摻雜了11 wt. %的氧化鋁，用以改善涂層的硬度和斷裂韌性等。采用大氣等離子噴涂設備進行制備，研究了涂層的組織結構和性能，對比了涂層與GCr15鋼在相同干摩擦條件下的摩擦磨損性能，為氧化鈦基陶瓷涂層在表面工程防護領域的推廣及應用奠定一定的基礎。

1 實驗

1.1 涂層制備

大氣等離子噴涂裝置的主要組成部分有電源、控制系統、冷卻水循環系統、送氣裝置、送粉裝置、噴槍以及其他配套輔助設備。噴涂所需原料熔融破碎型粉末金紅石相的氧化鈦陶瓷粉和氧化鋁粉均從北京桑堯技術開發有限公司采購（純度≥99%、粒徑范圍25～75 um），并將購置的粉體運用混粉機進行機械混分，粉末微觀形貌如圖1所示，粉末呈不規則多邊形狀。基體材料和對比材料為調質GCr15（860～880 ℃淬火、420～440 ℃回火），其硬度約為56～62 HRC，試樣線切割尺寸為三維尺寸為12 mm×15 mm×24 mm。利用KQ2200DB型超聲波清洗儀清洗除去基體表面污漬，最后采用24目的棕剛玉進行噴砂處理，噴砂距離約為250 mm，噴射角度約65°～75°，噴砂結束后停止供砂并用余氣吹去基體表面殘留砂粒。必須注意，在噴砂結束的2 h內進行噴涂作業。在等離子噴涂氧化鈦基復合陶瓷涂層過程中，以氬氣（Ar）為主氣，氫氣（H2）為次氣，其最優參數組合如表1所示。

1.2 表征

采用Quanta 200型掃描電鏡（SEM）對粉末形貌以及涂層微觀形貌進行分析，并利用配套的X射線能譜儀（EDS）進行涂層微區和摩擦磨損后的化學成分分析；采用MTS萬能拉伸試驗機對涂層結合輕度進行分析。采用 OLYMOUS 金相顯微鏡和Image-J圖像處理軟件進行涂層孔隙率分析。用上海研潤公司的 HVS-1000 型顯微硬度計進行涂層的顯微硬度測試。采用美國 CETR 多功能摩擦磨損試驗機，選用球盤式方法在干摩擦條件下進行涂層的摩擦磨損性能測試，載荷15 N，25 N，35 N，時間20 min，頻率20 Hz，大氣環境室溫條件，對摩副為5 mm氧化鋯球。磨損質量由高精密天平測量磨損前后的質量的變化，磨損體積由OLMPUS 三維形貌儀進行表征和計算。

2 結果與討論

2.1 涂層組織結構分析

從圖2的涂層截面形貌可以看到涂層整體光滑平整、均勻、致密，且孔隙和雜質較少，經測涂層孔隙率低至3.65%，在單位噴涂次數下涂層平均厚度為380.2 um。而由圖2可見，黏接界面未見任何粗大孔隙或裂紋，涂層與基體鉚接牢固可靠，熔融的液滴狀粒子超音速飛行撞擊經粗化的基體表面，迅速鋪展并冷卻后與基體產生良好的“機械鉚合”，再經后續超音速態粒子的撞擊務實作用強化，因而未出現層狀結構和結合界面存在孔隙或裂紋缺陷等。圖3為復合陶瓷涂層的顯微硬度沿深度方向的分布規律。可見，調質45#鋼的顯微硬度約為630HV0.1。在涂層與基體結合處，顯微硬度有比較明顯的減小，在涂層內部，其顯微硬度沿深度方向具有一定的波動，但總體分布在810～870HV0.3之間，涂層的平均硬度為827HV0.1。涂層總體顯微硬度明顯高于GCr15鋼的硬度。

2.2 摩擦學性能

圖4是相同摩擦磨損條件下，氧化鈦基陶瓷涂層和GCr15鋼基體的摩擦因數隨時間的變化圖（內嵌的是摩擦磨損前后磨損重量的變化）。從圖4中可以看到相同，復合陶瓷涂層的摩擦因數更低且相對更加穩定。相反，GCr15鋼的摩擦系數波動明顯，在最后的一段時間（1 000 s以后），摩擦系數大幅度上升。這說明陶瓷涂層具有較高的耐磨性和較低的摩擦系數。

圖5為在相同的施加載荷、頻率和時間下涂層的磨痕形貌。從圖4（a）可以看出，干摩擦條件下GCr15鋼磨痕較寬，而且剝落較為嚴重。在磨痕中央粘著的現象比較明顯，主要以粘著磨損為主。此外，磨痕處還出現了沿摩擦磨損方向上的大量塑性變形。對磨痕進行EDS能譜分析，如圖5（c）所示，摩擦過程對于GCr15基體鋼材的影響，可以看到經過摩擦，對比原先的，其氧元素含量增加。這說明在摩擦過程中發生了一定的氧化，原因是GCr15中的鐵元素與空氣中的氧氣發生了反應，黑色區域為氧化物。然而，圖5（b）是涂層表面磨痕的SEM照片，對比上面干摩擦條件下的GCr15鋼基體的磨痕形貌，可以看到，該表面出現了較多的裂紋和撥層。這主要是因為陶瓷涂層“先天的”脆性。此外，從圖5中可以看出，涂層并未出現明顯的粘著和塑性變形.這證明了涂層表現很好的耐磨性。表2為涂層和GCr15鋼基體在其他載荷下的磨損量和磨損體積，可以明顯發現涂層磨損量最小，磨損率最低。

3 結論

本實驗采用大氣等離子噴涂制備了TiO2-11 wt. %Al2O3 復合陶瓷涂層，其具有較高的顯微硬度、較低的涂層孔隙率。相比于GCr15鋼基材，該涂層在干摩擦不同載荷條件下都體現出了較低的磨損體積和磨損量，其摩擦系數低且穩定。這說明了該涂層在干摩擦條件下展現出了較好的減摩耐磨性。大氣等離子噴涂制備的氧化鈦基陶瓷復合涂層為工程表面防護領域提供了重要的材料支撐和技術保障。

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〔編輯：胡雪飛〕