等離子噴涂噴霧燒結型25NiCr-Cr₃C₂涂層摩擦磨損性能研究

李杰 高峰

摘 要：利用等離子噴涂技術，以噴霧燒結型25NiCr-Cr3C2為原料制備涂層。通過掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）、X射線衍射（XRD）、顯微硬度計等分析檢測方法和高溫摩擦磨損試驗儀，研究了25NiCr-Cr3C2涂層組織結構、硬度、孔隙率、結合強度和不同溫度下涂層摩擦損性能，并對磨損機制進行了分析。結果表明：磨損過程分為兩個階段：磨合期和穩定期;隨著溫度升高，摩擦系數降低;800℃時涂層在磨損250s時因塑性變形而失效;摩擦磨損溫度從30℃分別升到600℃和700℃，磨損率分別增加5倍和8倍;700℃和800℃磨痕大小和磨損率變化不大，均發生了嚴重的塑形變形;涂層磨損行為主要是磨粒磨損和氧化磨損導致的疲勞磨損。

關鍵詞：等離子噴涂;噴霧燒結型;25NiCr-Cr3C2;不同溫度;摩擦磨損性能。

等離子噴涂（APS）由于其焰流溫度可達20000℃，能熔化幾乎所有的金屬、陶瓷材料，使之成為使用最廣泛的熱噴涂技術之一[1]。NiCr-Cr3C2金屬陶瓷涂層由于具有良好的高溫耐磨、抗腐蝕性能，廣泛應用于火力發電、冶金、航空航天等工業領域的高溫部件表面的耐磨、抗腐蝕防護[2，3]。近年來，人們對NiCr-Cr3C2涂層及其耐磨性進行了相當多的研究，但主要集中在噴涂參數對涂層性能的影響，涂層磨損沖蝕性能和涂層常溫摩擦磨損性能研究，但對不同溫度下涂層的摩擦磨損行為及磨損機制研究還缺乏深入研究[4]。本文研究了涂層組織結構、硬度、孔隙率，并對比分析了不同溫度下涂層的摩擦損性能，并對磨損機制進行了分析。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料為礦冶科技集團有限公司生產的噴霧燒結型25NiCr-Cr3C2粉末（產品牌號KF-70F），粉末粒度為-45+15μm。粉末形貌如圖1所示。

1.2 涂層制備

本實驗采用Oerlikon metco公司生產的Unicoat Pro F4大氣等離子噴涂設備制備涂層，工藝參數如表1所示。

1.3 檢測方法

使用日本HITACHI公司生產的SU5000掃描電子顯微鏡（SEM）對各樣品微觀形貌進行觀察。使用能量散射譜（EDS）功能，用于對試樣的化學成分進行半定性分析。

使用德國BRUKER公司生產的D8 ADVANCE型X射線衍射儀（XRD）對各樣品進行物相檢測分析。該設備工作加速電壓為40kV，工作電流為40mA，X衍射線使用Cu靶（1.54184A）Kα射線。檢測時設定衍射角度設定為2θ=20°～90°，步長0.02°，掃描速度12°/min。

使用402MVATM維氏硬度計對顯微硬度進行測量。儀器選擇標準壓頭，在涂層上任取5個點，加載載荷300g，加載時間10s。

使用Image J軟件以灰度法進行孔隙率的測定。

使用BRUKER公司生產的UMT Tribolab高溫摩擦磨損試驗儀進行摩擦磨損實驗，實驗參數如表2。

使用BRUKER公司生產的Dektak XT臺階儀測量磨痕的輪廓。

2 試驗結果與討論

2.1 涂層組織和性能分析

圖2是25NiCr-Cr3C2粉末及涂層的XRD。從圖可知，粉末由NiCr、Cr3C2組成，而涂層中除了NiCr、Cr3C2，新出現的Cr7C3和Cr2O3分別是高溫下失碳和氧化的產物。

圖3為涂層截面形貌，可以看出涂層致密，元素分布較均勻，無明顯分層現象。

表3為涂層硬度和孔隙率數值，可以看出涂層硬度分布較均勻且孔隙率較低。

2.2 涂層摩擦磨損性能分析

圖4為25NiCr-Cr3C2涂層在30℃、600℃、700℃和800℃的摩擦磨損性能。

圖4-A為涂層摩擦系數曲線，可以看出，磨損過程分為兩個階段：磨合期和穩定期，磨合期涂層摩擦系數波動較大，穩定期摩擦系數波動不大;隨著溫度升高，摩擦系數降低，這是因為隨著溫度的升高涂層表面形成的氧化膜增大，而氧化膜有助于降低涂層摩擦系數[5]。但800℃時涂層在磨損250s時摩擦系數極速下降然后開始寬幅震蕩，這是因為高溫時涂層發生了軟化，在外壓力作用下產生了嚴重的塑形變形而失效[6]。

圖4-B為涂層磨痕輪廓對比圖，圖4-C是磨痕深度和寬度對比圖，圖4-D是涂層磨損率對比圖。從這3張圖可以看出，摩擦磨損溫度從30℃分別升到600℃和700℃，磨痕逐漸變寬變深度，磨損率分別增加了5倍和8倍。 700℃和800℃的磨痕大小和磨損率變化不大。

2.3 涂層磨損機制分析

圖5是涂層磨痕形貌及其EDS分析結果。

從30℃-A、600℃-A、700℃-A、800℃-A可以看出，高溫時涂層磨痕寬度明顯加大，且磨痕周邊存在大量磨粒;在700℃/800℃時磨痕頂部出現明顯的塑形變形，且800℃時塑形變形更嚴重。

從30℃-B、600℃-B、700℃-B、800℃-B涂層磨損表面均存在沿滑動方向分別的細小犁溝，表明發生了磨粒磨損。30℃-C、600℃-C、700℃-C、800℃-C分別是其對應涂層的EDS分析結果，可以發現隨著溫度升高，磨損面的氧元素逐漸升高，說明磨損過程發生了氧化過程且溫度升高表面氧化更嚴重。

綜合涂層磨痕形貌和EDS結果，認為兩種涂層磨損行為主要是磨粒磨損和氧化磨損導致的疲勞磨損[7]。其磨損過程為：達到設定溫度后，在摩擦副的磨損下，涂層表面產生大量犁溝，發生了磨粒磨損;在升溫過程中，粘結相NiCr已經發生了氧化反應形成了Cr2O3氧化膜，然后隨著摩擦的進行，由于受到切應力和擠壓力粘結相周圍的硬質相率先剝落，進而導致氧化膜受力產生疲勞脫落。

3 結論

磨損過程分為兩個階段：磨合期和穩定期;隨著溫度升高，摩擦系數降低;800℃時涂層在磨損250s時因塑性變形而失效。

摩擦磨損溫度從30℃分別升到600℃和700℃，磨損率分別增加5倍和8倍。700℃和800℃磨痕大小和磨損率變化不大，均發生了嚴重的塑形變形。

涂層磨損行為主要是磨粒磨損和氧化磨損導致的疲勞磨損。

參考文獻：

[1]何龍，譚業發，周春華等.HVOF和APS制備WC-Co/NiCrBSi復合涂層高溫摩擦學特性研究[J].兵工學報， 2013，9（34）：1109-1115.

[2]郭永明，李緒強，王海軍等.超音速等離子噴涂NiCr-Cr3C2/Mo復合涂層的高溫摩擦磨損性能[J].中國表面工程，2012，5（25）：31-36.

[3]李振鐸，于月光，劉海飛等.高溫耐磨損Cr3C2-25NiCr涂層制備及其性能研究[J].有色金屬（冶煉部分），2006（增刊）：37-40.

[4]劉艷，茍國慶，涂銘旌.等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層高溫摩擦磨損性能研究[J].電焊機，2010，4（40）：75-81.

[5]王進春，孔德軍.超音速火焰噴涂WC-12Co涂層高溫摩擦-磨損性能[J].中南大學學報（自然科學版），2017，3 （48）：608-616.

[6]牛少鵬，鄧暢光，張吉阜.超音速火焰噴涂碳化鉻基涂層的高溫摩擦磨損性能研究[J].表面技術，2013，6（41）：10-17.

[7]白楊，邢路闊，李相波等.中性鹽霧腐蝕對等離子噴涂NiCr-Cr3C2涂層摩擦磨損性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2017，5（46）：1404-1410.

作者簡介：

李杰（1984- ），男，漢族，河北省邢臺市人，碩士，工程師，北礦新材科技有限公司，研究方向：材料學。