分享：发动机活塞用ZL109铝合金表面等离子 喷涂镍基合金涂层的耐磨性能

杜 伟,韩冰源,崔方方,杭卫星,丛孟启,徐文文,楚佳杰,高祥涵,吴海东 

(江苏理工学院汽车与交通工程学院,常州 213001)

 摘 要:采用等离子喷涂技术在发动机活塞用ZL109铝合金表面制备 Ni60CuMo合金涂层,研 究了涂层的微观形貌、物相组成、显微硬度以及不同条件下的耐磨性能。结果表明:涂层由富铬区 和富镍区交替重叠构成,与基体间的结合方式为机械结合;涂层的孔隙率为2.48%,平均显微硬度 为792.91HV,约为基体的6倍以上;随试验温度由25℃升高至450℃,涂层的摩擦因数和磨损质 量损失均降低,450 ℃油润滑下涂层的平均摩擦因数为0.037,磨损质量损失为7.35mg,仅为基体 的1/4左右;随试验温度的升高,干摩擦下涂层的磨损机制由剥落失效转变为氧化磨损与黏着磨 损,油润滑下由磨粒磨损转变为磨粒磨损和黏着磨损,最后转变为黏着磨损。

 关键词:铝合金;等离子喷涂;镍基合金涂层;显微硬度;耐磨性能;磨损机制 中图分类号:TG174.442 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)11-0026-07

0 引 言 

磨损是机械零部件失效的重要形式之一,车用 发动 机 工 作 中 磨 损 的 损 耗 约 占 损 耗 总 能 量 的 48% [1-2]。目前对于中、小缸径汽车发动机中常用铝 合金活塞,主要通过减少活塞结构质量从而减小工 26 杜 伟,等:发动机活塞用ZL109铝合金表面等离子喷涂镍基涂层的耐磨性能 作惯性力和对气缸壁的冲击力,达到减小活塞与缸 体间磨损程度的目的[3]。目前在国内发动机活塞中 应用最广泛的铝合金为 ZL108铝合金和 ZL109铝 合金。与 ZL108铝合金相比,ZL109铝合金调整了 元素比例并添加镍元素,具有更好的高温耐磨性能, 但是在服役过程中仍然会因较大的热负荷和机械负 荷而出现力学性能和磨损性能降低,并最终导致失 效的问题[4-5]。 目前主要采用表面改性的方法提高汽车发动机 铝合金活塞表面耐磨性,常用表面改性方法中的表 面涂覆、气相沉积、热处理等热源温度较低,对耐磨 性的改善效果不明显[6-8],且效率低;而等离子喷涂 技术利用热源将喷涂材料加热至熔融状态,经过喷 枪加速后喷射沉积至基体表面,等离子焰流温度高、 能熔化较多难熔颗粒,具有效率高、适用材料范围广 等优点[9-10]。PATELP等[11]研究发现,利用等离子 喷涂技术在铝合金活塞表面制备的钼涂层表现出优 异的减摩效果,可提高发动机的耐磨性与服役寿命。 孔令晨等[12]研究发现,利用等离子喷涂技术在铝合 金活塞表面制备的 Al-25Si涂层硬度比基体提高一 倍以上,磨损机制为磨粒磨损并伴有少量黏着磨损, 有效地提高了活塞的耐磨性能。邵若男等[13]采用 等离子喷涂技术在铝合金表面制备 Al2O3-Ni涂层, 发现增加 Al2O3 含量可以提高涂层的耐磨性。陈 健等[14]采用等离子喷涂技术在铝合金活塞裙部表 面制备了钼涂层,发现涂层在润滑状态下的耐磨性 能比基体优异,但在干摩擦条件下的耐磨性较差。 采用等离子喷涂技术在活塞裙部表面制备 WC-Co 涂层在干摩擦过程的摩擦因数较稳定,有效地降低 了活 塞 裙 部 外 壁 与 气 缸 套 内 壁 间 的 磨 损[15]。 KRASNYY 等[16]采用等离子喷涂方法在内燃机活 塞环表面制备了 MoN 涂层,发现与电镀铬比较,该 涂层改善了工作时表面的润滑性,减少了缸套表面 的径向磨损量。上述制备涂层仅有限地提高了发动 机活塞在高温服役环境下的耐磨性能,因此仍需要 探寻适用于更宽温域服役工作范围的活塞表面改性 涂层。镍基合金相比其他合金,具有更加良好的高 温力学性能与耐磨损性能,常用于航空发动机热端 部件表面强化,因此有望应用于车用发动机活塞表 面性能改进研究中。基于此,作者以常用于活塞的 ZL109铝合金作为基体,采用等离子喷涂技术在其 表面制备 Ni60CuMo合金涂层,研究了涂层的微观 结构、物相组成和力学性能,并探讨了该涂层在汽车 发动机模拟工况下的耐磨性能,以期为发动机活塞 用铝合金表面等离子喷涂镍基合金涂层的工程应用 提供一定的理论支撑。

 1 试样制备与试验方法 

基体 材 料 选 用 铸 态 ZL109 铝 合 金,尺 寸 为 30mm×30mm×10mm,化学成分(质量分数/%) 为12Si,1Cu,1.1Mg,1.2Ni,余 Al;涂层原料粉选用 北京鑫铸联新材料科技有限公司生产的 Ni60CuMo 合金粉末,平均粒径约为95μm,微观形貌如图1所 示,可知颗粒的形貌近似球形。对基体进行超声清 洗,再 进 行 喷 砂 处 理 后,采 用 Oerlikon Metco MultiCoATF4型 等 离 子 喷 涂 设 备 在 其 表 面 制 备 Ni60CuMo合金涂层,以氩气作为主要保护气体,氢 气作为次要保护气体,基于前期工作得到等离子喷 涂工艺 参 数 为 送 粉 速 率 45g·min -1,喷 涂 功 率 32kW,喷涂距离140mm,喷涂电流450A,氩气和 氢气流量分别为57,5L·min -1。 图1 Ni60CuMo合金粉末的微观形貌 Fig.1 MicromorphologyofNi60CuMoalloypowder 采用 ZEISS Sigma500 型 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM)观察涂层的表面和截面微观形貌,并用SEM 附带能谱 仪 (EDS)进 行 微 区 成 分 分 析。利 用 D8- Venture型单晶X射线衍射仪(XRD)对粉体与涂层 的 物 相 组 成 进 行 分 析,采 用 铜 靶,工 作 电 流 为 25mA,电压为60kV,扫描范围2θ 为20°~80°,扫 描速率为3(°)·min -1。采用 HVS-1000A 型数显显 微硬度 仪 测 涂 层 的 截 面 显 微 硬 度 分 布,载 荷 为 0.98N,保载时间为15s,距表面相同距离处测3个 点取平均值。在800倍放大倍数下随机选取5张涂 层SEM 截面图像,并对涂层截面孔隙进行灰度处 理,用ImageJ2x图像处理软件计算孔隙率。在涂 层试样上截取尺寸为20mm×10mm×5mm 的磨 损试样,经400 # 、600 # 、800 # 、1000 # 的碳化硅砂纸 依次打磨处理,并用酒精超声清洗后,选用 MMQ02G 型高温摩擦磨损试验机对涂层进行圆环式滑动 磨损试验,接触形式为点接触,对磨件为直径5mm 27 杜 伟,等:发动机活塞用ZL109铝合金表面等离子喷涂镍基涂层的耐磨性能 图2 涂层表面和截面的微观形貌、截面选区 EDS谱及表面 XRD谱 Fig 2 Surface a andcrosssectionmorphology b sectionselected-areaEDSspectrum c andsurfaceXRDpatterns d ofcoating 的 GCr15 钢球,磨损载荷为 50 N,转 速 为 200r· min -1,磨损时间为20min,磨损半径为1.5mm;由 于活塞服役于高温、贫/富油状态下,最高服役温度 在326~426 ℃间,因此选用温度区间内的375 ℃, 室温(25 ℃)及苛刻服役温度450 ℃作为涂层磨损 试验温度,具体润滑条件和试验温度如表1所示,润 滑油选用SF15W-40型汽油机油,相同试验条件下 进行2次平行试验,使用精度为0.1mg的电子天平 对磨损前后试样的质量进行称量,计算磨损质量损 失。选用 Nanovea型三维形貌仪对磨损后试样表面 三维形貌进行观察,并采用扫描电镜观察磨损形貌。 表1 磨损试验的润滑条件和试验温度 Table1 Lubricationconditionandtesttemperatureof weartest 编号 润滑条件 试验温度/℃ 25-G 干摩擦 25 25-Y 油润滑 25 375-G 干摩擦 375 375-Y 油润滑 375 450-G 干摩擦 450 450-Y 油润滑 450 2 试验结果与讨论 2.1 微观形貌与物相组成 由图2可知:所制备涂层表面熔滴铺展状况良 好,熔融粒子撞击至基体表面后经堆垛、铺展后以放 射形式、破碎形式凝固,部分熔滴包裹着未熔颗粒, 而这些未熔颗粒表面熔滴的冷却凝固使颗粒间相互 结合从而形成典型层状结构的涂层;由于部分未熔 颗粒堆叠,后续的熔融粒子未能完全润湿填充这些 不规则区域,从而在涂层内部形成孔隙[17-18]。基体 与涂层界面处结合较致密,涂层厚度约为300μm, 高倍下观察发现涂层内部由2种颜色(深灰色、浅灰 色)区域交替重叠构成,经 EDS分析发现深灰色区 域为富铬区,浅灰色区域为富镍区。由 EDS分析发 现涂层截面无明显的元素扩散现象,因此涂层与基 体间的结合方式为机械结合;同时选区中未检测出 氧元素,说明在熔滴飞行过程中未出现氧化现象,工 作气体对熔滴起到了良好的保护作用。涂层保留了 原料粉末的物相组成,均主要由 γ-(Ni,Cr,Fe,Cu) 固溶体、FeNi3、Cr7C3、Cr23C6、Mo2C、MoSi2、Fe2Mo 等组成。 图3为涂 层 截 面 孔 隙 形 貌 及 对 应 的 灰 度 图, 统计得到涂层的平均孔隙率为2.48%。涂层中孔 隙形态多样,除了分布广泛的独立闭合微孔外,还 有少量由多个微孔交互连通的通孔。由于喷涂时 熔滴包裹未 熔 颗 粒 周 围,其 堆 积 和 搭 接 具 有 随 机 性,因此涂层 中 极 易 出 现 因 填 充 不 充 分 而 形 成 的 孔隙聚集现象[19]。

 2.2 硬度分布 

由图4可知,涂层截面显微硬度呈小范围波动, 28 杜 伟,等:发动机活塞用ZL109铝合金表面等离子喷涂镍基涂层的耐磨性能 图3 涂层截面孔隙形貌及对应的灰度图 Fig 3 Poremorphology a andcorrespondinggrayscale b ofcoatingcrosssection 图4 涂层试样的截面硬度分布曲线及涂层的压痕形貌 Fig 4 Sectionhardnessdistributioncurveofcoatingsample a andindentationmorphologyofcoating b-c b minimum microhardnessand c maximum microhardness 图5 不同试验条件下涂层的摩擦因数随时间变化曲线以及平均摩擦因数 Fig 5 Frictioncoefficientofcoatingvstimeunderdifferenttestconditions a andaveragefrictioncoefficient b 其中最高硬度可达874 HV,最低硬度为735 HV, 平均 硬 度 为 792.91 HV,基 体 的 平 均 硬 度 约 为 123HV,涂层的硬度为基体的6倍以上。在涂层中 分富镍区与富铬区,富铬区分布不均匀,硬度测试时 压痕的随机性使得显微硬度出现波动。在施加载荷 初期,压痕处孔隙等微缺陷处产生应力集中而出现 裂纹,在压应力作用下压痕长度增加,因此硬度较 小。涂层的孔隙等微缺陷主要集中在涂层中间部 分,因此中间部分的硬度较低。在粒子撞击的夯实 作用下涂层近表层处的加工硬化效果增强,因此显 微硬度较高。 

2.3 摩擦磨损性能

 由图5可知:在不同润滑条件下涂层在试验前期 0~150s时间内的摩擦因数急剧增加并随之在短时 间内达到平稳状态,而后又出现波动现象,其中干摩 擦条件下涂层的摩擦因数较大,且波动较大,这是因 为此时涂层与对磨件间无润滑液和保护膜,表面直接 接触,磨 损 剧 烈。随 着 试 验 温 度 由 25 ℃ 升 高 至 450℃,涂层的平均摩擦因数降低。油润滑条件下涂 层的摩擦因数更加平稳,平均摩擦因数偏低,并且摩 擦因数达到平稳阶段所需时间较短,短于100s,说明 润滑油在涂层与对磨件之间形成的油膜起到了减摩 29 杜 伟,等:发动机活塞用ZL109铝合金表面等离子喷涂镍基涂层的耐磨性能 耐磨的效果;油膜使涂层与对磨件表面分离,发生流 体润滑,在压力作用下,部分润滑油进入涂层孔隙中 起到了储油作用,为摩擦表面持续提供油膜所需的润 滑油,使表面油膜不易破损[20] ;450 ℃时涂层的平均 摩擦因数最低,表现出优异的减摩效果。 由图6可以看出:涂层的磨损质量损失随试验 温度的升高和油润滑条件的施加而减小,而基体的 磨损质量损失随试验温度升高而增大,但施加润滑 油后磨损质量损失略微减小,对比发现施加润滑油 后涂层耐磨性提升的程度比基体显著;相同试验温 度和润滑条件下涂层的磨损质量损失明显低于基 体,在450 ℃油润滑条件下涂层的磨损质量损失仅 为7.35mg,为基体的1/4左右,说明涂层具有优异 的耐磨性能。由图7可以发现,在450 ℃油润滑 条 图6 不同试验条件下涂层和基体的磨损质量损失 Fig.6 Wearmasslossofcoatingandsubstrateunderdifferent testconditions 件下涂层磨痕的最大峰高为46.9μm,基体磨痕的 最大峰高为155.7μm,涂层磨痕很浅,进一步说明 涂层在高温下具有优异的耐磨性能。 图7 450 ℃油润滑条件下涂层与基体的磨损表面三维形貌 Fig 7 Wearsurfacethree-dimensionalmorphologyofcoating a andsubstrate b under450 ℃ oillubricationcondition 由图8可知,在25℃干摩擦条件下涂层表面磨 损严重,涂层剥落痕迹明显,并且因涂层内硬质相分 布不均匀造成其表面磨痕较粗糙。当干摩擦条件下 的试验温度升至375 ℃时,对表面磨损产生的零星 分布的深灰色区域进行 EDS分析后,发现该区域主 要为铁的氧化物,由于涂层中铁含量较少,而经磨损 后表面铁元素含量显著增加,说明磨损过程中涂层 表面与对磨件出现了材料转移,随磨损时间延长,转 移的材料逐渐积聚而形成含铁氧化物转移层;虽然 该转移层能够在一定程度上缓解涂层的磨损,但由 于氧化物在硬度高的同时,其脆性也较大,在高温下 的相对切向运动中易使涂层发生断裂,转移层也会 出现剪切断裂[21],从而在涂层磨损表面出现氧化物 剥落的痕迹以及因切向应力作用而形成的垂直于摩 擦方向的微裂纹。随着干摩擦条件下的试验温度升 高至450℃,磨损表面转移层面积较大,垂直于滑动 方向的裂纹宽度减小,因转移层的磨损而在涂层表 面形成碎屑。氧化物转移层的形成说明在高温干摩 擦下涂层表现出黏着磨损与氧化磨损的复合特征。 在油润滑条件下涂层表面的磨损程度较轻,在 25 ℃和375 ℃下磨损表面出现犁沟、划痕以及剥落 颗粒损伤痕迹,在对磨件剪切应力循环作用下颗粒 剥落,并在润滑油的包裹下以及对磨件施加的正应 力作用下,对涂层表面进行研磨,起到了磨料的作 用[22] ;375 ℃下磨损表面还出现了橘皮状氧化物碎 片,这是由于在喷涂过程中部分熔滴动能不足而撞 击基体不充分,层间内聚力较差,在磨损中易发生片 层状剥落,但对磨件部分正应力发挥的“夯实”效应 使橘皮状氧化物碎片未彻底剥离于涂层表面。因 此,在油润滑条件下25℃时涂层的磨损机制为磨粒 磨损,而375 ℃下的磨损机制为磨粒磨损及黏着磨 损。450 ℃时涂层磨损表面更加平整,没有明显的 犁沟、划痕等磨粒磨损的痕迹,磨损程度最轻,此时 涂层的磨损机制以黏着磨损为主。 30 杜 伟,等:发动机活塞用ZL109铝合金表面等离子喷涂镍基涂层的耐磨性能 图8 不同试验条件下涂层的表面磨损形貌 Fig.8 Surfacewearmorphologyofcoatingunderdifferenttestconditions

 3 结 论

 (1)采用等离子喷涂技术在ZL109铝合金表面 制备的 Ni60CuMo合金涂层由富铬区和富镍区交替 重叠构成,与基体间无明显的元素扩散现象,涂层与 基体间的结合方式为机械结合;涂层的物相组成与 Ni60CuMo合金粉末相同,主要由γ-(Ni,Cr,Fe,Cu) 固溶体、FeNi3、Cr7C3、Cr23C6、Mo2C、MoSi2、Fe2Mo等 组成;涂层结构致密,孔隙率为2.48%;涂层的平均显 微硬度为792.91HV,为铝合金基体的6倍以上。 (2)与干摩擦条件相比,油润滑条件下涂层具 备更平稳的摩擦因数以及更低的磨损质量损失,且 随试验温度的升高,摩擦因数和磨损质量损失均降 低,耐磨性能更好;450 ℃油润滑条件下涂层的平均 摩擦因数为0.037,磨损质量损失为7.35 mg,仅为 基体的1/4左右,涂层具有优异的耐磨性能。 (3)干摩擦条件下25 ℃磨损时涂层出现剥落 失效,375,450 ℃磨损时涂层磨损机制为氧化磨损 与黏着磨损;油润滑条件下25℃磨损时涂层主要发 生磨粒磨损,375 ℃磨损时的磨损机制为磨粒磨损 及黏着磨损,450 ℃时涂层磨损表面平整,磨损机制 以黏着磨损为主。

来源：材料与测试网