三種熱噴涂涂層耐磨性能的研究
分類：噴涂技術(shù)
摘要:通過采用平穩(wěn)加載往復(fù)滑動和動態(tài)加載沖擊劃痕2種試驗(yàn)條件，研究了以鈷基合金為重點(diǎn)的3種熱噴涂涂層的耐磨性，并初步探討了其磨損機(jī)理。結(jié)果表明:3種涂層在滑動摩擦過程中的磨損機(jī)制為微切削和犁削；在沖擊劃痕條件下材料流失方式則以鑿削和斷裂為主。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，熱噴涂涂層的耐磨性不僅與其宏觀硬度有關(guān)，還與涂層的塑性、脆性及內(nèi)聚強(qiáng)度密切相關(guān)。
關(guān)鍵詞:熱噴涂涂層；耐磨性；塑性；脆性；內(nèi)聚強(qiáng)度
鈷基合金以其優(yōu)良的高溫性能及摩擦學(xué)性能而在渦輪葉片上獲得應(yīng)用，但因其價(jià)格昂貴而促使人們以鈷基合金涂層來代替整體合金。隨著對航空發(fā)動機(jī)技術(shù)要求的提高，如高性能、高翻修壽命以及高可靠性等，工藝簡便、用材廣泛、適用于各種基體的熱噴涂技術(shù)得到迅速發(fā)展。從提高耐磨性出發(fā)，優(yōu)選應(yīng)用于發(fā)動機(jī)渦輪葉片的涂層，對延長發(fā)動機(jī)的使用壽命和降低成本具有重要意義。有關(guān)熱噴涂涂層的應(yīng)用及耐磨性的研究報(bào)道較多[1～4]，但迄今國內(nèi)對鈷基合金涂層耐磨性的研究報(bào)道很少，且多以提高涂層宏觀硬度的方法來提高涂層耐磨性。本文作者選擇宏觀硬度大體相當(dāng)?shù)拟捇辖鹜繉覩reatwall-1、X-40以及Cr3C2-NiCr涂層作為研究對象，通過不同的加載方式，研究涂層的塑、脆特性及內(nèi)聚強(qiáng)度的差別對其耐磨性能的影響。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)材料
以1Cr18Ni9不銹鋼為熱噴涂的基體材料，片狀樣品尺寸為45mm×25mm×3mm；采用等離子噴涂方法制備3種涂層，涂層厚度均為0.3mm。在進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)前對所有涂層試樣進(jìn)行研磨，使其表面粗糙度Ra均在1μm以下。采用DXT-3型數(shù)顯硬度計(jì)，按HR-15N標(biāo)準(zhǔn)測定涂層的宏觀硬度。2種鈷基合金和Cr3C2-NiCr涂層粉末原料的化學(xué)成分以及各涂層的宏觀硬度見表1（略）。
1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法
在MT8-002型往復(fù)式滑動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行平穩(wěn)加載摩擦磨損試驗(yàn)，對摩銷試樣為金剛石洛氏硬度壓頭，錐角120°，頂部曲率半徑200μm。試驗(yàn)條件:平均滑動速度0.01m/s，往復(fù)距離8.5mm，載荷5N、10N和15N，試驗(yàn)時(shí)間1h。用2201型表面形貌儀測量磨痕的截面積并據(jù)此計(jì)算磨損體積損失，以單位磨損行程下的磨損體積損失評價(jià)涂層的耐磨性能。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同載荷下磨痕表面形貌，分析探討平穩(wěn)加載條件下涂層的磨損機(jī)制和塑、脆性能。
單擺沖擊劃痕試驗(yàn)可以用來研究材料在沖擊加載條件下的摩擦學(xué)行為，特別是能夠用來考察材料的塑、脆性能[5～7]。試驗(yàn)選定初始擺角為80°，入侵速度為2.1m/s。自由釋放擺錘，令安裝在擺錘下端的圓錐狀硬質(zhì)合金(YG6)劃頭在試樣表面劃出一系列深淺不同的弧形槽。根據(jù)劃痕前后的擺角差，計(jì)算出每次劃痕所消耗的能量；根據(jù)表面形貌儀和讀數(shù)顯微鏡測出的結(jié)果計(jì)算劃痕體積和表面積。
用劃痕單位體積及單位面積上所消耗的能量，即比能耗和內(nèi)聚能來表征涂層的耐沖擊磨損性能及層間內(nèi)聚強(qiáng)度。對各涂層在相同試驗(yàn)參數(shù)下的沖擊劃痕形貌進(jìn)行SEM對比分析，觀察涂層的破壞形貌特征，并討論其塑、脆性能。
2 結(jié)果與討論
2.1 平穩(wěn)加載下涂層的耐磨性
在滑動干摩擦試驗(yàn)中，測量3種載荷下各涂層的磨損量(單位磨損行程下的體積損失)，以單位載荷下的磨損量作為磨損率，用其倒數(shù)的大小來衡量涂層材料的耐磨性即抗滑動磨損能力。3種涂層的磨損量與載荷的關(guān)系如圖1（略）所示，各磨損曲線的斜率即該涂層的磨損率。可以看出，在本試驗(yàn)載荷范圍內(nèi)，涂層的磨損率與載荷無關(guān)，但宏觀硬度相近的3種涂層的耐磨性相差很大。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，X-40鈷基合金涂層的磨損率最低，約為Greatwall-1鈷基合金涂層磨損率的九分之一，而Cr3C2-NiCr涂層的磨損率居于二者之間。X-40涂層、Cr3C2-NiCr涂層、Greatwall-1涂層三者的相對耐磨性為8.9:3.8:1.0。