分享：超音速火焰喷涂CoCrAlSiY合金涂层的摩擦磨损性能

邓 雯,唐 霖,齐 慧 (西安工业大学机电工程学院,西安 710021) 

摘 要:采用超音速火焰喷涂技术制备 CoCrAlSiY 合金涂层,研究了该涂层的微观结构、力学 性能,以及在不同载荷(2,5,8 N)下的摩擦磨损性能。结果 表 明:CoCrAlSiY 合 金 涂 层 主 要 由 CoCr2O4、CoAl和α-Al2O3 相组成,各物相分布均匀,涂层致密;涂层的硬度为(7.41±0.16)GPa, 与其他同类合金涂层硬度相近;在2,5,8N 载荷下摩擦磨损时,CoCrAlSiY 合金涂层的平均摩擦 因数分别为0.33,0.24,0.22,对应的磨损率分别为3.52×10 -5,4.85×10 -5,5.58×10 -5 mm 3·N -1· m -1;低载荷(2N)下的磨损机制主要是黏着磨损和磨粒磨损,高载荷(5,8N)下涂层发生脆性断裂 而大块剥落;在摩擦磨损过程中涂层表面形成氧化物,特别是在5N 和8N 载荷下,磨损表面出现 大量α-Al2O3 和 CoCr2O4 等氧化物。

 关键词:CoCrAlSiY 合金涂层;超音速火焰喷涂;微观结构;摩擦学性能 中图分类号:TG733 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)11-0071-07

0 引 言

 工件表面的性能直接关系到现代机械零部件的 安全和使用寿命;利用表面工程技术对零部件表面 进行保护和强化,能够延长其使用寿命,并使之能在 更加苛刻的环境中工作[1-3]。MCrAlY(M 可为 Ni、 Co或 NiCo)合金涂层由于具有优异的抗高温氧化、 耐热腐蚀和耐磨损等性能而广泛应用于航空航天、 船舶、汽 车 和 能 源 等 领 域[4-6]。 为 了 进 一 步 提 高 MCrAlY 涂层的高温抗氧化和耐磨损等性能,研究 者们进行了大量试验,如在 MCrAlY 涂层体系中添 加改性 元 素 锆、硅、钽、铼 等,其 中 添 加 硅 元 素 的 MCrAlY 涂层是一种重要的抗氧化防护涂层[7-10]。 利用热喷涂技术制备的 CoCrAlSiY 合金涂层在耐 高温氧化和耐腐蚀方面的研究报道较多[9,11-12],在 71 邓 雯,等:超音速火焰喷涂 CoCrAlSiY 合金涂层的摩擦磨损性能 摩擦学领域的研究则有限。在摩擦过程中,铬元素 会在摩擦界面形成连续致密的 Cr2O3 [13],铝元素同 样会氧化形成稳定完整的氧化膜[14],且在高温环境 下,Al2O3 膜具有生长速率慢、化学稳定性好、挥发 性低等优点[14] ;这些硬质颗粒或氧化物膜的出现有 利 于 提 高 材 料 的 耐 磨 性 能[15]。 由 此 推 测, CoCrAlSiY 合金涂层除了具有良好的耐腐蚀和抗 氧化性能外,还有望拥有优异的摩擦磨损性能。为 此,作者以 Co-29Cr-6Al-2Si-0.3Y(质量分数/%)合 金粉末为 原 料,采 用 超 音 速 火 焰 喷 涂 技 术 制 备 了 CoCrAlSiY 合金涂层,研究了该涂层的微观结构和 耐磨性能,以期为 CoCrAlSiY 合金涂层在机械零部 件中的应用提供一定的理论依据。

 1 试样制备与试验方法 

涂 层 原 料 为 Co-29Cr-6Al-2Si-0.3Y (简 记 为 CoCrAlSiY)合 金 粉 末,粒 径 约 为 38μm,由 美 国 Sulzer-Metco公司提供;其颗粒呈球形或近球形,如 图1 所 示。 基 体 材 料 为 316L 不 锈 钢,尺 寸 为 ?25mm×7.8mm。采用 GS-943型喷砂机对基体 进行喷砂处理,直至表面粗糙度 Ra 约为1.42μm, 再进行超声清洗。采用 DiamondJettype2700型 超音速火焰喷涂设备,通过搭载IRB2400型六轴联 动机械手在基体表面制备 CoCrAlSiY 合金涂层,基 体温度低于150 ℃,氧气流量为19.8m 3·h -1,燃气 (天然气)流量为13.5m 3·h -1,空气流量为18.7m 3· h -1,合金粉末喷涂速率为25g·min -1,喷枪移动速 度 为 800 mm·s -1,喷 枪 到 基 体 表 面 的 距 离 为 28cm,涂层厚度约为300μm。 图1 CoCrAlSiY合金粉末的微观形貌 Fig.1 MicromorphologyofCoCrAlSiYalloypowder 采用JSM-7800F 型扫描电子显微镜(SEM)观 察涂层抛光前后的表面形貌以及截面形貌,使用附 带的能 谱 仪 (EDS)分 析 微 区 成 分。 采 用 X'Pert PRO 型 X射线衍射仪(XRD)分析原料粉末和涂层 的物 相 组 成,工 作 电 流 为 150 mA,工 作 电 压 为 40kV,测试范围为10°~90°。 依次使用600 # ,1000 # ,1500 # SiC砂纸对涂层 进行抛 光 处 理,抛 光 后 涂 层 的 表 面 粗 糙 度 约 为 0.04μm,随后在 CSM 型往复式球-盘摩擦磨损试验 机上进行 摩 擦 磨 损 试 验,对 磨 件 为 直 径 6 mm 的 Al2O3 球,试 验 温 度 为 (20±5)℃,相 对 湿 度 为 (30±5)%,滑动速度为10cm·s -1,振幅为2.5mm, 总滑动距离为150m,试验载荷分别为2,5,8N,对 应的最大赫兹压力分别为0.97,1.31,1.54GPa。试 验结束后,用 MicroXAM-800型非接触式三维轮廓 仪测量涂层的磨痕尺寸和磨损体积,计算磨损率,计 算公式如下: K = V PL (1) 式中:K 为磨损率;V 为磨损体积;P 为法向载荷;L 为总滑动距离。 使用JSM-7800F型SEM 观察涂层磨损表面形 貌,用 Horiba-Scientific-LabRAM 型高分辨拉曼光 谱仪分析磨损表面的物相组成。 采 用 NHT02-05987 型 纳 米 压 痕 仪 对 CoCrAlSiY 涂层和 Al2O3 对磨球进行纳米压痕试 验,对 CoCrAlSiY 涂层施加10mN 载荷,对 Al2O3 对磨球施加20mN 载荷,保载时间均为10s,获得 纳米压痕硬度和弹性模量等参数,每组测试至少重 复8次取平均值。由测试得到的载荷-位移曲线计 算弹性恢复率[16],计算公式如下: Wrec = dmax -dres dmax (2) 式中:Wrec 为弹性恢复率;dmax 为最大位移;dres 为 残余位移。 

2 试验结果与讨论

 2.1 微观形貌和显微组织 

由图2可以看出:CoCrAlSiY 合金涂层表面粗 糙,含有大量熔融粉末冲击所产生的薄饼状结构,这 表明 CoCrAlSiY 合金粉末已经完全熔化并且很好 地沉积在基体上;涂层截面没有发现明显的气孔、裂 纹或其他缺陷,呈现出非常致密的结构。 由图3可以看出:抛光处理后 CoCrAlSiY 合金 涂层表面呈现出由熔融颗粒形成的致密结构,涂层 组织主要由黑色相和灰白色相组成;涂层中主要含 有钴、铬、铝、硅和钇元素,计算得到其质量分数分别 约为62.6%,28.7%,7.1%,1.5%,0.1%,与原料粉 末中各元素含量对应;黑色相主要富含铝元素,灰白 72 邓 雯,等:超音速火焰喷涂 CoCrAlSiY 合金涂层的摩擦磨损性能 图2 CoCrAlSiY合金涂层的表面和截面SEM 形貌 Fig 2 SEM micrographsofsurface a andcross-section b ofCoCrAlSiYalloycoating 图3 CoCrAlSiY合金涂层抛光表面的SEM 形貌和元素面分布 Fig 3 SEM micromorphology a andelementmappings b-f ofpolishedsurfaceofCoCrAlSiYalloycoating 色相则含有更多的钴和铬元素。 图4 CoCrAlSiY合金粉末及其涂层的 XRD谱 Fig.4 XRDpatternsofCoCrAlSiYalloypowderanditscoating 由图4可以看出:CoCrAlSiY 合金粉末主要包 含 CoAl和 Co3Al两种金属间化合物;通过超音速 火焰喷涂技术制备成涂层后 Co3Al金属间化合物 的衍射峰消失,出现了α-Al2O3 和 CoCr2O4 氧化物 的衍射峰,这表明该涂层在沉积过程中发生了轻微 的氧化。同时,结合图3可以得到,涂层中的灰白色 相主要对应着 CoCr2O4 和 CoAl,而黑色相主要对 应的是α-Al2O3,各物相分布均匀。

 2.2 力学性能

 摩擦磨损发生在材料的表面或界面,材料表面 的力学性能是影响其摩擦磨损性能的重要因素。此 外,材料塑性变形能力和弹性恢复率也会对耐磨性 能有一定影响;在一定条件下耐磨性能随着塑性变 形能力和弹性恢复率的增加而增强[17-18]。塑性变 形能力一般用 H 3/E 2(H 为纳米压痕硬度;E 为弹 性模量)进行表征,其值反映了材料对弹性应变 H/ E 的敏感性。由表2可知:CoCrAlSiY 合金涂层的 硬度、弹 性 恢 复 率 和 塑 性 变 形 能 力 都 明 显 低 于 Al2O3 对磨球,因此抗 Al2O3 球磨损的能力较差, 但是试验制备的合金涂层的上述性能指标和其他同 73 邓 雯,等:超音速火焰喷涂 CoCrAlSiY 合金涂层的摩擦磨损性能 表2 CoCrAlSiY合金涂层和 Al2O3 球的力学性能 Table2 Mechaniclpropertiesofas-depositedCoCrAlSiYalloycoatingandAl2O3ball 材料 纳米硬度/GPa 弹性模量/GPa H/E H 3/E 2 弹性恢复率/% Al2O3 球 27.81±0.37 436.49±5.94 0.064±0.002 0.113±0.015 51.57±0.59 涂层 7.41±0.16 191.95±1.73 0.039±0.001 0.011±0.002 35.02±0.37 图6 不同载荷下 CoCrAlSiY合金涂层磨损表面的SEM 形貌 Fig 6 SEM micrographsofwearsurfaceofCoCrAlSiYalloycoatingunderdifferentloads a-b atlowmagnificationand d-f enlargementofboxregion 类合金涂层相近[19-20]。 

2.3 摩擦磨损性能

 由图5可知:在2N 载荷下,CoCrAlSiY 合金涂 层的摩擦因数最大且存在明显的波动过程;随载荷增 大,摩擦因数波动减小,摩擦因数曲线逐渐平稳。在 2,5,8N载荷下,CoCrAlSiY 合金涂层的平均摩擦因 数分别为0.33,0.24,0.22,磨损率分别为3.52×10 -5, 4.85×10 -5,5.58×10 -5 mm 3·N -1·m -1。涂层的磨 损率随载荷的变化规律与摩擦因数相反,2N 载荷下 表现出轻微磨损特性,磨损率最小,5N 载荷下磨损 程度提高,磨损率比2N载荷下高出约1.5倍,8N载 荷下的磨损率进一步增大。这是由于载荷越大对应 的最大赫兹压力也越高,加速了涂层的损伤,同时产 生的金属磨屑黏附到 Al2O3 球表面,形成金属间的摩 擦,使得摩擦因数降低。 由图6可以看出:在2N 载荷下与 Al2O3 球对 磨后,CoCrAlSiY 合金涂层表面呈现塑性变形和黏 着磨损特征,放大后可以看到,磨损表面存在明显的 划痕和裂纹,这是由于与 CoCrAlSiY 合 金 涂 层 相 图5 不同载荷下 CoCrAlSiY合金涂层的摩擦因数曲线 Fig.5 FrictioncoefficientcurvesofCoCrAlSiYalloy coatingunderdifferentloads 比,Al2O3 球的硬度更高,其表面微凸体的犁削作用 导致 CoCrAlSiY 合金涂层的磨损表面出现犁沟特 征(划痕),此现象在摩擦过程中会造成严重的磨粒 磨损。在5N 载荷下,涂层表面出现较多的裂纹,这 些裂纹在后续的摩擦过程中会沿着扁平粒子界面扩 展,使涂层的磨损表面产生大量的裂纹,最后连接在 一起,导致涂层的脆性断裂和剥落[21-22] ;在8N 载 荷下,涂层磨损严重,表面出现大块剥落现象。 由 图7可以看出,在3种载荷条件下,磨痕表面 74 邓 雯,等:超音速火焰喷涂 CoCrAlSiY 合金涂层的摩擦磨损性能 图7 不同载荷下 CoCrAlSiY合金涂层表面磨痕的三维形貌、截面轮廓和深度变化曲线 Fig 7 Three-dimentionaltopography a-c sectionalprofile d-f anddepthvariationcurve g-i ofsurfaceweartrackof CoCrAlSiYalloycoatingunderdifferentloads 存在明显的沟槽或划痕,这说明涂层发生了磨粒磨 损。2N 载荷下,CoCrAlSiY 合金涂层表面磨痕较 窄,磨痕底部的表面粗糙度也相对较小;随着载荷的 增加,涂层表面磨痕宽度和深度均增大,磨损变得越 来越严重,磨痕底部的表面粗糙度也增大;当载荷增 至8N时,磨痕底部的表面粗糙度Ra 达到9.976μm 且波动范围大,表明该条件下涂层在磨损过程中发 生大块 剥 落,这 与 磨 痕 SEM 形 貌 的 分 析 结 果 相 一致。

 2.4 磨损表面物相组成

 由图8可以看出:CoCrAlSiY 合金涂层未磨损 抛光表面的拉曼谱中出现了 α-Al2O3 和 CoCr2O4 的特征峰,与 XRD分析结果一致;在2N 载荷下摩 擦磨损后,涂层表面磨痕的拉曼谱中除了出现 αAl2O3 和 CoCr2O4 的特征峰外,还出现了 Y2O3 和 Cr2O3 的特征峰,这是由于在干滑动摩擦过程中,摩 擦产生的瞬时热应力不能及时传递和消散,被磨损 表面局部区域的金属元素吸收导致金属元素氧化形 成氧化物[23-24]。随着载荷的增加,磨损表面温度升 高,在5N 和8N 载荷下,磨损表面生成了大量氧化 物,主要有α-Al2O3 和CoCr2O4,这些氧化物分布在 磨损表面,将 Al2O3 对磨材料与 CoCrAlSiY 合金涂 层部分隔离开,减小了摩擦因数;但在高的剪切应力 作用下,氧化物层被不断地破坏又不断形成,因此磨 损表面出现大块剥落现象,最终造成严重的磨损。

 3 结 论

 (1)超音速火焰喷涂 CoCrAlSiY 合金涂层主 要由 CoCr2O4,CoAl和α-Al2O3 相组成,各物相分 布均匀,涂层致密,没有出现明显的气孔、裂纹或其 他缺陷。 (2)CoCrAlSiY 合 金 涂 层 的 硬 度 为 (7.41± 0.16)GPa,远低于 Al2O3 对磨球,但与其他同类合 金涂层的硬度相近。 75 邓 雯,等:超音速火焰喷涂 CoCrAlSiY 合金涂层的摩擦磨损性能 图8 CoCrAlSiY合金涂层未磨损抛光表面及不同载荷磨损后磨痕的拉曼谱 Fig 8 Ramanspectraofunwornpolishedsurface a andweartracksafterwearunderdifferentloads b-d ofCoCrAlSiYalloycoating (3)与 Al2O3 球摩擦磨损时,在2,5,8N 载荷 下,CoCrAlSiY 合 金 涂 层 的 平 均 摩 擦 因 数 分 别 为 0.33,0.24,0.22,对应的磨损率分别为3.52×10 -5, 4.85×10 -5,5.58×10 -5 mm 3·N -1·m -1,磨损率随 载荷增加而增大;低载荷(2N)下的磨损机制主要 是黏着磨损和磨粒磨损,高载荷(5,8N)下涂层发 生脆性断裂而大块剥落;在磨损过程中合金涂层表 面发生氧化形成氧化物,特别是在5N 和8N 高载 荷下,磨损表面出现大量α-Al2O3 和 CoCr2O4 等氧 化物。 

来源：材料与测试网