Ni元素對(duì)等離子噴涂鐵基涂層組織和摩擦磨損性能的影響①

張海瑜，王芙蓉，2，，杜雙明，曾志翔，蔡 輝，劉二勇

（1．西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；2．西安重裝銅川煤礦機(jī)械有限公司，陜西 銅川727000；3．中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波315201）

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度大、抗沖擊性好等優(yōu)點(diǎn)，是汽車輕量化的優(yōu)選結(jié)構(gòu)材料［1］，但耐磨性差等缺陷制約了其在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等苛刻磨損部件的應(yīng)用［2］。等離子噴涂是最廣泛采用的熱噴涂技術(shù)，因取材范圍廣、沉積效率高等優(yōu)勢(shì)，用于制備各種功能涂層，如防腐蝕、抗磨損、抗熱障涂層等，在航空航天、機(jī)械和汽車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用［3］。鐵基涂層成本低廉，且摩擦磨損性能優(yōu)異，廣泛用于鋁發(fā)動(dòng)機(jī)等離子噴涂［4］。但是，噴涂層普遍存在孔隙、氧化物夾雜、裂紋等缺陷［5］，且低合金的鐵基涂層還存在硬度低、耐磨性差等問(wèn)題，不足以滿足苛刻工況發(fā)動(dòng)機(jī)部件的工作需求。采用合金化技術(shù)向鐵基涂層加入增強(qiáng)相或合金元素，可有效提高涂層的綜合性能［6］。其中，Ni元素具有良好的韌性和耐蝕性［7］，還可以抑制鋼鐵的氧化過(guò)程［8］。有關(guān)研究同樣表明Ni元素可有效改善鐵基涂層性能［9－10］，但目前較少涉及鋁發(fā)動(dòng)機(jī)噴涂鐵基涂層的結(jié)構(gòu)與性能研究。

本文在課題組熱噴涂XPT-512鐵基涂層基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用等離子噴涂技術(shù)在ZL109鋁合金表面制備不同Ni含量的XPT-512鐵基涂層，系統(tǒng)研究Ni元素對(duì)鐵基涂層微觀結(jié)構(gòu)、硬度及不同工況（干摩擦／油潤(rùn)滑）下摩擦磨損性能和磨損機(jī)理的影響，以期為鋁發(fā)動(dòng)機(jī)防護(hù)技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選擇亞共晶ZL109鋁合金為基體材料，尺寸為Φ25 mm×8 mm。選擇Metco公司的XPT-512鐵基粉末（Fe-1．5Cr-1．4Mn-1．1C-0．1Ni）和北礦新材的純鎳粉作為噴涂原料，平均粒徑0．2 mm。涂層制備過(guò)程如下：

1）采用南京申運(yùn)佳機(jī)械科技有限公司的SYJSYH-300三維多向混合機(jī)將XPT-512鐵基粉末和純鎳粉充分混合均勻，其中鎳粉加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為10%、30%，樣品對(duì)應(yīng)標(biāo)記為XPT-512-10Ni、XPT-512-30Ni。

2）對(duì)基體進(jìn)行預(yù)處理：依次用丙酮、酒精超聲清洗基材20 min，以除去表面油污和雜質(zhì)；然后用粒徑0．42 mm的棕剛玉砂進(jìn)行基體表面的噴砂粗化處理，噴砂壓力0．6 MPa、時(shí)間5 min，以增大基體表面粗糙度；隨后預(yù)熱基體，以減少基體與涂層之間的溫度差，消除熱應(yīng)力，提高結(jié)合強(qiáng)度。

3）采用Sulzer Metco的9MC等離子噴涂設(shè)備制備鐵基涂層。裝粉后，將預(yù)處理后的基材固定在內(nèi)孔夾具中，進(jìn)行噴涂。噴涂參數(shù)為：電壓70 V，電流400 A，氬氣流量42．3 L／min，氫氣流量7．05 L／min，送粉量42 g／min，噴涂距離100 mm。涂層粉末被熱等離子體熔化并射向靶基體，最終在基體表面固化形成涂層。

1．2 涂層表征

利用Bruker-AXSD8Advance型X射線衍射儀（XRD）分析涂層物相組成，選擇2θ范圍20°～90°，掃描速度5°／min。利用FEI Quanta FEG250熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）及自帶的能譜掃描儀（EDS）分析熱噴涂涂層樣品的表面、截面形貌和涂層磨損表面形貌及涂層成分分布。利用MVS-1000D顯微硬度儀測(cè)量等離子噴涂涂層及磨痕區(qū)域硬度（HV0．3），載荷為300 g，加載時(shí)間15 s，測(cè)量10次取平均值。利用UMT-3多功能高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（CETR，USA）進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)試工況為油潤(rùn)滑（Mobil1TM 5w-40潤(rùn)滑油）和干摩擦，滑動(dòng)頻率為2 Hz，滑行行程5 mm，時(shí)間30 min，載荷為10 N、15 N、20 N、30 N。利用Alpha-Step IQ表面輪廓儀測(cè)量摩擦實(shí)驗(yàn)后磨痕的截面輪廓、寬度、深度情況，并依據(jù)磨痕長(zhǎng)度及截面輪廓計(jì)算涂層的磨損率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 涂層的成分與結(jié)構(gòu)

圖1為XPT-512-Ni系涂層的XRD圖譜。由圖1可知，熱噴涂鐵基涂層主要由鐵素體（F）、滲碳體（Fe3C）和少量FeO組成。隨著Ni元素的加入，鐵基涂層出現(xiàn)了金屬Ni相，且隨著Ni含量增加金屬Ni相的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，表明Ni元素未與鐵基粉末發(fā)生反應(yīng)，而以單質(zhì)Ni相結(jié)構(gòu)存在。對(duì)比鐵素體（F）、滲碳體（Fe3C）和FeO等，單質(zhì)Ni元素具有更高的塑性，有助于改善材料的韌性，提高抗疲勞性能。

圖1 XPT-512-Ni系涂層的XRD譜圖

利用SEM和EDS對(duì)等離子噴涂鐵基合金涂層微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2和表1所示。由圖2可見，宏觀形貌表明等離子噴涂鐵基涂層均與鋁基體形成了良好的機(jī)械咬合，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Ni元素的加入降低了涂層孔隙率。微觀形貌分析表明，鐵基合金涂層主要由灰色基體相和深灰色第二相組成，呈典型的層狀結(jié)構(gòu)［11］。結(jié)合圖1和表1分析，深灰色（區(qū)域1）的氧含量高于灰色基體（區(qū)域2），為FeO相，說(shuō)明高溫等離子噴涂過(guò)程中粉末部分熔化區(qū)域發(fā)生氧化，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)了明顯氧化現(xiàn)象。FeO不僅起到減摩作用，還可以改善涂層耐磨性能［12］。隨著Ni元素的加入，鐵基涂層增加了不連續(xù)的灰白色區(qū)域（區(qū)域4），而且隨著Ni含量增加灰白色區(qū)域增加，表明Ni元素促使γ-Ni固溶體的形成，有利于改善涂層性能［13］。

圖2 XPT-512-Ni系涂層微觀形貌

表1 涂層微觀區(qū)域EDS結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

進(jìn)一步利用圖像分析軟件分析涂層氣孔率，XPT-512、XPT-512-10Ni、XPT-512-30Ni涂層氣孔率依次為3．59%、1．95%、2．05%。由此可知，Ni的加入在一定程度上降低了粉末體系的熔點(diǎn)，完全熔融的粉末更易于鋪展開來(lái)將氣體排掉，從而使鐵基涂層的氣孔率降低［11］。鐵基涂層內(nèi)的氣孔起到兩方面作用：一方面導(dǎo)致涂層力學(xué)性能下降；另一方面起到容納磨屑和儲(chǔ)油的作用，可以減少磨屑顆粒引起二次劃傷和改善潤(rùn)滑不充分條件下涂層材料的摩擦磨損性能［14］。因此，上述研究表明高塑性Ni元素有助于改善涂層的致密性。

2．2 涂層的力學(xué)性能

利用顯微硬度計(jì)測(cè)定等離子噴涂鐵基涂層的硬度。XPT-512鐵基涂層的硬度為524．47HV0．3，XPT-512-10Ni和XPT-512-30Ni涂層的硬度分別為516．42HV0．3和433．46HV0．3。這是因?yàn)檐浗饘貼i相含量的增加促使涂層顯微硬度不斷降低［15］。一般材料硬度與耐磨性呈正相關(guān)，低硬度的Ni相含量增加，在改善材料韌性的同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致某些工況條件下涂層的耐磨性降低。

2．3 涂層的摩擦磨損性能

不同載荷、不同工況鐵基涂層的摩擦磨損性能如圖3所示。由圖3（a）可知，在油潤(rùn)滑工況，隨著Ni元素的加入，XPT-512鐵基涂層摩擦系數(shù)有所降低，且不同載荷下XPT-512-30Ni涂層摩擦系數(shù)均最低，說(shuō)明Ni元素可有效降低鐵基涂層摩擦系數(shù)；圖3（b）表明，干摩擦條件下3種涂層摩擦系數(shù)均在0．5左右，其中XPT-512涂層摩擦系數(shù)均最大，而XPT-512-10Ni涂層摩擦系數(shù)最低。Ni元素的加入改善了鐵基涂層的減摩性能，其中油潤(rùn)滑條件XPT-512-30Ni涂層和干摩擦條件XPT-512-10Ni涂層具有最低的摩擦系數(shù)。

由圖3（c）～（d）可知，隨載荷增大，3種鐵基涂層磨損率均增大；隨著Ni元素的加入，不同載荷下涂層磨損率均較XPT-512涂層明顯降低。例如，油潤(rùn)滑工況下，載荷30 N時(shí)XPT-512-30Ni涂層磨損率為0．063 73×10－6mm3／（N·m），較XPT-512降低了88．41%。干摩擦工況，不同載荷下XPT-512-10Ni涂層磨損率均低于XPT-512和XPT-512-30Ni涂層，當(dāng)載荷為10 N時(shí)XPT-512-10Ni涂層磨損率為1．316×10－6mm3／（N·m），較XPT-512涂層降低了約81．32%。上述分析表明，Ni元素改善了鐵基涂層耐磨性，其中油潤(rùn)滑條件下XPT-512-30Ni涂層和干摩擦條件下XPT-512-10Ni涂層具有最低的磨損率。

圖3 不同工況下XPT-512-Ni系涂層的摩擦系數(shù)和磨損率

不同摩擦工況下鐵基涂層磨損前后的硬度如圖4所示。經(jīng)過(guò)摩擦磨損測(cè)試后，3種涂層硬度均明顯增大，尤其以干摩擦工況下XPT-512涂層的硬度增加更為明顯。例如，30 N干摩擦后XPT-512涂層硬度約為625HV0．3，較未摩擦前增加約19．17%；同時(shí)XPT-512-10Ni硬度達(dá)590HV0．3，XPT-512-30Ni涂層硬度約為574．5HV0．3。涂層在沖擊摩擦力作用下發(fā)生應(yīng)變強(qiáng)化，進(jìn)而改善了涂層材料的耐磨性，可以提高材料的服役壽命。

圖4 XPT-512-Ni系涂層表面與磨痕硬度

2．4 涂層的磨損機(jī)理

不同工況、不同載荷下XPT-512-Ni系鐵基涂層磨損形貌如表2所示。XPT-512鐵基涂層在油潤(rùn)滑條件下的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，干摩擦條件以疲勞磨損為主［16］。隨著Ni元素的加入，油潤(rùn)滑工況下XPT-512-10Ni涂層和XPT-512-30Ni涂層磨損表面均存在大量犁溝，且微犁溝數(shù)量隨載荷增大而增多，磨損機(jī)理為磨粒磨損；在干摩擦工況，XPT-512-10Ni涂層和XPT-512-30Ni涂層磨損表面存在大量剝落坑和撕裂現(xiàn)象，說(shuō)明其磨損機(jī)理為黏著磨損和疲勞磨損；隨著載荷增大，涂層黏著情況更為明顯。因此，隨著Ni元素的加入，油潤(rùn)滑條件下高韌性Ni元素有助于維持鐵基涂層磨損表面的完整性，進(jìn)而提高耐磨性。對(duì)于干摩擦條件，Ni元素的加入顯著改變了鐵基涂層的磨損機(jī)理，由疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp。Ni元素的加入改善了油潤(rùn)滑／干摩擦工況XPT-512涂層的摩擦磨損性能，高Ni含量下涂層的油潤(rùn)滑摩擦磨損性能優(yōu)異，而干摩擦工況下低Ni含量涂層中摩擦磨損性能較好。

表2 不同工況、不同載荷下XPT-512-Ni系涂層的磨痕形貌

表3和表4為不同載荷下經(jīng)過(guò)油潤(rùn)滑、干摩擦磨損后XPT-512-Ni系涂層磨痕表面的EDS成分分析結(jié)果。XPT-512-Ni系涂層磨痕表面的氧含量變化規(guī)律與XPT-512涂層一致，即2種工況下磨痕表面的氧含量隨著載荷增大而增多，這說(shuō)明摩擦過(guò)程涂層發(fā)生氧化，形成了具有一定硬度和厚度的氧化層，起到了一定減摩效果［17］。油潤(rùn)滑條件下XPT-512-Ni系涂層磨損表面Ni元素富集，即涂層在摩擦力作用下形成有效的潤(rùn)滑層，從而起到優(yōu)異的減摩作用，進(jìn)而改善了涂層的服役性能。

表3 油潤(rùn)滑涂層磨痕區(qū)域EDS結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

表4 干摩擦涂層磨痕區(qū)域EDS結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

綜上所述，隨著Ni元素的加入，無(wú)論油潤(rùn)滑還是干摩擦工況，XPT-512-10Ni和XPT-512-30Ni兩種涂層的磨痕寬度及剝落情況均少于XPT-512涂層，這說(shuō)明Ni元素的加入提高了涂層耐磨性。Ni元素的加入使XPT-512鐵基涂層的磨損機(jī)理發(fā)生一定轉(zhuǎn)變：油潤(rùn)滑工況下，XPT-512-Ni系涂層磨損機(jī)理以磨粒磨損為主；干摩擦工況下，XPT-512-10Ni和XPT-512-30Ni涂層磨損機(jī)理為疲勞和黏著磨損。Ni元素有效改善了XPT-512鐵基涂層的摩擦磨損性能，其中油潤(rùn)滑工況下高塑性Ni元素改善了涂層表面潤(rùn)滑層的完整性；而干摩擦工況，高塑性單質(zhì)Ni同樣減緩了鐵基涂層的疲勞磨損，進(jìn)而改善了涂層的耐磨性。

3 結(jié) 論

1）采用等離子噴涂技術(shù)制備了Ni含量10%和30%的XPT-512-Ni系鐵基耐磨涂層，涂層組織主要由鐵素體（F）、滲碳體（Fe3C）、少量FeO和Ni相組成。

2）隨著Ni含量增加，鐵基涂層硬度降低。無(wú)論油潤(rùn)滑還是干摩擦工況，XPT-512-Ni系涂層都具有比XPT-512涂層更低的摩擦系數(shù)和磨損率。其中，油潤(rùn)滑工況下，載荷30 N時(shí)XPT-512-30Ni涂層比XPT-512涂層磨損率降低了88．41%；干摩擦工況下，10 N時(shí)XPT-512-10Ni涂層比XPT-512涂層磨損率降低了81．32%。

3）Ni元素的加入改變了XPT-512鐵基涂層的磨損機(jī)理，XPT-512-Ni系涂層在油潤(rùn)滑條件下以磨粒磨損為主，而在干摩擦條件下則以黏著磨損為主。