超音速火焰噴涂CoCrAlSiY合金涂層的摩擦磨損性能

鄧 雯，唐 霖，齊 慧

(西安工業大學機電工程學院，西安 710021)

0 引 言

工件表面的性能直接關系到現代機械零部件的安全和使用壽命；利用表面工程技術對零部件表面進行保護和強化，能夠延長其使用壽命，并使之能在更加苛刻的環境中工作[1-3]。MCrAlY(M可為Ni、Co或NiCo)合金涂層由于具有優異的抗高溫氧化、耐熱腐蝕和耐磨損等性能而廣泛應用于航空航天、船舶、汽車和能源等領域[4-6]。為了進一步提高MCrAlY涂層的高溫抗氧化和耐磨損等性能，研究者們進行了大量試驗，如在MCrAlY涂層體系中添加改性元素鋯、硅、鉭、錸等，其中添加硅元素的MCrAlY涂層是一種重要的抗氧化防護涂層[7-10]。利用熱噴涂技術制備的CoCrAlSiY合金涂層在耐高溫氧化和耐腐蝕方面的研究報道較多[9,11-12]，在摩擦學領域的研究則有限。在摩擦過程中，鉻元素會在摩擦界面形成連續致密的Cr2O3[13]，鋁元素同樣會氧化形成穩定完整的氧化膜[14]，且在高溫環境下，Al2O3膜具有生長速率慢、化學穩定性好、揮發性低等優點[14]；這些硬質顆粒或氧化物膜的出現有利于提高材料的耐磨性能[15]。由此推測，CoCrAlSiY合金涂層除了具有良好的耐腐蝕和抗氧化性能外，還有望擁有優異的摩擦磨損性能。為此，作者以Co-29Cr-6Al-2Si-0.3Y(質量分數/%)合金粉末為原料，采用超音速火焰噴涂技術制備了CoCrAlSiY合金涂層，研究了該涂層的微觀結構和耐磨性能，以期為CoCrAlSiY合金涂層在機械零部件中的應用提供一定的理論依據。

1 試樣制備與試驗方法

涂層原料為Co-29Cr-6Al-2Si-0.3Y(簡記為CoCrAlSiY)合金粉末，粒徑約為38 μm，由美國Sulzer-Metco公司提供；其顆粒呈球形或近球形，如圖1所示。基體材料為316L不銹鋼，尺寸為φ25 mm×7.8 mm。采用GS-943型噴砂機對基體進行噴砂處理,直至表面粗糙度Ra約為1.42 μm，再進行超聲清洗。采用Diamond Jet type 2700型超音速火焰噴涂設備，通過搭載IRB2400型六軸聯動機械手在基體表面制備CoCrAlSiY合金涂層，基體溫度低于150 ℃，氧氣流量為19.8 m3·h-1，燃氣(天然氣)流量為13.5 m3·h-1，空氣流量為18.7 m3·h-1，合金粉末噴涂速率為25 g·min-1，噴槍移動速度為800 mm·s-1，噴槍到基體表面的距離為28 cm，涂層厚度約為300 μm。

圖1 CoCrAlSiY合金粉末的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of CoCrAlSiY alloy powder

采用JSM-7800F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層拋光前后的表面形貌以及截面形貌，使用附帶的能譜儀(EDS)分析微區成分。采用X′Pert PRO型X射線衍射儀(XRD)分析原料粉末和涂層的物相組成，工作電流為150 mA，工作電壓為40 kV，測試范圍為10°～90°。

依次使用600#，1000#，1500#SiC砂紙對涂層進行拋光處理，拋光后涂層的表面粗糙度約為0.04 μm，隨后在CSM型往復式球-盤摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，對磨件為直徑6 mm的Al2O3球，試驗溫度為(20±5) ℃，相對濕度為(30±5)%，滑動速度為10 cm·s-1，振幅為2.5 mm，總滑動距離為150 m，試驗載荷分別為2，5，8 N，對應的最大赫茲壓力分別為0.97，1.31，1.54 GPa。試驗結束后，用MicroXAM-800型非接觸式三維輪廓儀測量涂層的磨痕尺寸和磨損體積，計算磨損率，計算公式如下：

(1)

式中：K為磨損率；V為磨損體積；P為法向載荷；L為總滑動距離。

使用JSM-7800F型SEM觀察涂層磨損表面形貌，用Horiba-Scientific-LabRAM型高分辨拉曼光譜儀分析磨損表面的物相組成。

采用NHT02-05987型納米壓痕儀對CoCrAlSiY涂層和Al2O3對磨球進行納米壓痕試驗，對CoCrAlSiY涂層施加10 mN載荷，對Al2O3對磨球施加20 mN載荷，保載時間均為10 s，獲得納米壓痕硬度和彈性模量等參數，每組測試至少重復8次取平均值。由測試得到的載荷-位移曲線計算彈性恢復率[16]，計算公式如下：

(2)

式中：Wrec為彈性恢復率；dmax為最大位移；dres為殘余位移。

2 試驗結果與討論

2.1 微觀形貌和顯微組織

由圖2可以看出：CoCrAlSiY合金涂層表面粗糙，含有大量熔融粉末沖擊所產生的薄餅狀結構，這表明CoCrAlSiY合金粉末已經完全熔化并且很好地沉積在基體上；涂層截面沒有發現明顯的氣孔、裂紋或其他缺陷，呈現出非常致密的結構。

圖2 CoCrAlSiY合金涂層的表面和截面SEM形貌Fig.2 SEM micrographs of surface (a) and cross-section (b) of CoCrAlSiY alloy coating

由圖3可以看出：拋光處理后CoCrAlSiY合金涂層表面呈現出由熔融顆粒形成的致密結構，涂層組織主要由黑色相和灰白色相組成；涂層中主要含有鈷、鉻、鋁、硅和釔元素，計算得到其質量分數分別約為62.6%，28.7%，7.1%，1.5%，0.1%，與原料粉末中各元素含量對應；黑色相主要富含鋁元素，灰白色相則含有更多的鈷和鉻元素。

圖3 CoCrAlSiY合金涂層拋光表面的SEM形貌和元素面分布Fig.3 SEM micromorphology (a) and element mappings (b-f) of polished surface of CoCrAlSiY alloy coating

由圖4可以看出：CoCrAlSiY合金粉末主要包含CoAl和Co3Al兩種金屬間化合物；通過超音速火焰噴涂技術制備成涂層后Co3Al金屬間化合物的衍射峰消失，出現了α-Al2O3和CoCr2O4氧化物的衍射峰，這表明該涂層在沉積過程中發生了輕微的氧化。同時，結合圖3可以得到，涂層中的灰白色相主要對應著CoCr2O4和CoAl，而黑色相主要對應的是α-Al2O3，各物相分布均勻。

圖4 CoCrAlSiY合金粉末及其涂層的XRD譜Fig.4 XRD patterns of CoCrAlSiY alloy powder and its coating

2.2 力學性能

摩擦磨損發生在材料的表面或界面，材料表面的力學性能是影響其摩擦磨損性能的重要因素。此外，材料塑性變形能力和彈性恢復率也會對耐磨性能有一定影響；在一定條件下耐磨性能隨著塑性變形能力和彈性恢復率的增加而增強[17-18]。塑性變形能力一般用H3/E2(H為納米壓痕硬度；E為彈性模量)進行表征，其值反映了材料對彈性應變H/E的敏感性。由表2可知：CoCrAlSiY合金涂層的硬度、彈性恢復率和塑性變形能力都明顯低于Al2O3對磨球，因此抗Al2O3球磨損的能力較差，但是試驗制備的合金涂層的上述性能指標和其他同類合金涂層相近[19-20]。

表2 CoCrAlSiY合金涂層和Al2O3球的力學性能

2.3 摩擦磨損性能

由圖5可知：在2 N載荷下，CoCrAlSiY合金涂層的摩擦因數最大且存在明顯的波動過程；隨載荷增大，摩擦因數波動減小，摩擦因數曲線逐漸平穩。在2，5，8 N載荷下，CoCrAlSiY合金涂層的平均摩擦因數分別為0.33，0.24，0.22，磨損率分別為3.52×10-5，4.85×10-5，5.58×10-5mm3·N-1·m-1。涂層的磨損率隨載荷的變化規律與摩擦因數相反，2 N載荷下表現出輕微磨損特性，磨損率最小，5 N載荷下磨損程度提高，磨損率比2 N載荷下高出約1.5倍，8 N載荷下的磨損率進一步增大。這是由于載荷越大對應的最大赫茲壓力也越高，加速了涂層的損傷，同時產生的金屬磨屑黏附到Al2O3球表面，形成金屬間的摩擦，使得摩擦因數降低。

圖5 不同載荷下CoCrAlSiY合金涂層的摩擦因數曲線Fig.5 Friction coefficient curves of CoCrAlSiY alloycoating under different loads

由圖6可以看出：在2 N載荷下與Al2O3球對磨后，CoCrAlSiY合金涂層表面呈現塑性變形和黏著磨損特征，放大后可以看到，磨損表面存在明顯的劃痕和裂紋，這是由于與CoCrAlSiY合金涂層相比，Al2O3球的硬度更高，其表面微凸體的犁削作用導致CoCrAlSiY合金涂層的磨損表面出現犁溝特征(劃痕)，此現象在摩擦過程中會造成嚴重的磨粒磨損。在5 N載荷下，涂層表面出現較多的裂紋，這些裂紋在后續的摩擦過程中會沿著扁平粒子界面擴展，使涂層的磨損表面產生大量的裂紋，最后連接在一起,導致涂層的脆性斷裂和剝落[21-22]；在8 N載荷下，涂層磨損嚴重，表面出現大塊剝落現象。

圖6 不同載荷下CoCrAlSiY合金涂層磨損表面的SEM形貌Fig.6 SEM micrographs of wear surface of CoCrAlSiY alloy coating under different loads: (a-b) at low magnification and(d-f) enlargement of box region

由圖7可以看出，在3種載荷條件下，磨痕表面存在明顯的溝槽或劃痕，這說明涂層發生了磨粒磨損。2 N載荷下，CoCrAlSiY合金涂層表面磨痕較窄，磨痕底部的表面粗糙度也相對較小；隨著載荷的增加，涂層表面磨痕寬度和深度均增大，磨損變得越來越嚴重，磨痕底部的表面粗糙度也增大；當載荷增至8 N時，磨痕底部的表面粗糙度Ra達到9.976 μm且波動范圍大，表明該條件下涂層在磨損過程中發生大塊剝落，這與磨痕SEM形貌的分析結果相一致。

圖7 不同載荷下CoCrAlSiY合金涂層表面磨痕的三維形貌、截面輪廓和深度變化曲線Fig.7 Three-dimentional topography (a-c), sectional profile (d-f) and depth variation curve (g-i) of surface wear track ofCoCrAlSiY alloy coating under different loads

2.4 磨損表面物相組成

由圖8可以看出：CoCrAlSiY合金涂層未磨損拋光表面的拉曼譜中出現了α-Al2O3和CoCr2O4的特征峰，與XRD分析結果一致；在2 N載荷下摩擦磨損后，涂層表面磨痕的拉曼譜中除了出現α-Al2O3和CoCr2O4的特征峰外，還出現了Y2O3和Cr2O3的特征峰，這是由于在干滑動摩擦過程中，摩擦產生的瞬時熱應力不能及時傳遞和消散，被磨損表面局部區域的金屬元素吸收導致金屬元素氧化形成氧化物[23-24]。隨著載荷的增加，磨損表面溫度升高，在5 N和8 N載荷下，磨損表面生成了大量氧化物，主要有α-Al2O3和CoCr2O4，這些氧化物分布在磨損表面，將Al2O3對磨材料與CoCrAlSiY合金涂層部分隔離開，減小了摩擦因數；但在高的剪切應力作用下，氧化物層被不斷地破壞又不斷形成，因此磨損表面出現大塊剝落現象，最終造成嚴重的磨損。

圖8 CoCrAlSiY合金涂層未磨損拋光表面及不同載荷磨損后磨痕的拉曼譜Fig.8 Raman spectra of unworn polished surface (a) and wear tracks after wear under different loads (b-d) of CoCrAlSiY alloy coating

3 結 論

(1) 超音速火焰噴涂CoCrAlSiY合金涂層主要由CoCr2O4，CoAl和α-Al2O3相組成，各物相分布均勻，涂層致密，沒有出現明顯的氣孔、裂紋或其他缺陷。

(2) CoCrAlSiY合金涂層的硬度為(7.41±0.16) GPa，遠低于Al2O3對磨球，但與其他同類合金涂層的硬度相近。

(3) 與Al2O3球摩擦磨損時，在2，5，8 N載荷下，CoCrAlSiY合金涂層的平均摩擦因數分別為0.33，0.24，0.22，對應的磨損率分別為3.52×10-5，4.85×10-5，5.58×10-5mm3·N-1·m-1，磨損率隨載荷增加而增大；低載荷(2 N)下的磨損機制主要是黏著磨損和磨粒磨損，高載荷(5,8 N)下涂層發生脆性斷裂而大塊剝落；在磨損過程中合金涂層表面發生氧化形成氧化物，特別是在5 N和8 N高載荷下，磨損表面出現大量α-Al2O3和CoCr2O4等氧化物。