摘 要:工程零件通常都是由于其表面产生甚至会波及整个机械结构的缺陷而失效。采用热喷涂保护涂层可以满足某些苛刻服役环境的要求，化学和石油化工行业就有这样的情况。合金基体中加入硬质颗粒能均匀地提高其硬度和耐磨性。本文研究了添加两种硬质颗粒的热喷涂自熔 NiCrBSiC 合金的微磨料磨损性能和耐蚀性能，其中，一种添加碳化硼( B4C) ，另一种添加以氧化钇稳定化的氧化锆( ZrO2/ Y2O3) 。磨损试验用氧化铝和金刚石作磨料在自由球磨损试验机上进行，腐蚀试验在天然海水中用动电位极化法进行。研究结果表明，与未加硬质颗粒的材料相比，添加硬质颗粒强化了合金的基体，提高了涂层的耐磨性和耐蚀性。添加碳化硼的 NiCrBSiC 合金耐磨性高于添加氧化锆的合金。添加氧化锆和碳化硼后，合金的耐蚀性均有所提高，但添加氧化锆的合金耐蚀性更好。
关键词:自熔; NiCrBSiC 合金; 热喷涂; 磨损; 腐蚀
0 引言
由于机械零件的表面直接与环境接触，所以非常引人关注。通常，零件都是由于表面产生缺陷而失效，并且随着缺陷的扩展，整台机器的结构都将受到影响。为了防止机械零件产生诸如疲劳、腐蚀和过早磨损，或尽可能少发生这样的情况，一些新技术和涂层材料已经复合或单独用于机械零件的表面处理［1］。热喷涂保护涂层的应用可产生复合材料，具有原基体或涂层材料均不可能达到的性能，从而能满足化学和石油化工等行业的苛刻服役环境的要求［1］。在要求低、中温下耐蚀、耐磨的特殊场合，热喷射沉积自熔 Ni 基合金已得到广泛应用。这类合金主要是 NiCrBSiC 合金，通过在传统的 Ni 基合金中加入合金元素而获得。铬( Cr) 能提高高温抗氧化性和耐蚀性，并因形成硬质析出相而提高涂层的硬度。硼( B) 能降低熔点，有助于形成硬质析出相。添加硅( Si) 是为了改善自熔性能。碳( C) 能形成高硬度碳化物，提高涂层的耐磨性［2］。用火焰喷射沉积的涂层具有 10% ～20% 孔隙率，与基体形成机械结合。随后的熔化处理可使孔隙率降低至 0． 3% ～5． 0% ，在 涂 层 内 和 涂 层 与 基 体 之 间 产 生 链 环( link) ，从而大大改善材料的性能［3-5］。喷涂前在粉剂中加入高硬度碳化物微粒，形成一种由基体和被称作强化剂的第二相组成的复合材料［6-7］，有可能提高涂层的耐磨性。在大多数情况下，基体的作用是使张应力均匀分布在复合材料中。在基体中加入硬质颗粒能均匀地提高涂层的硬度和耐磨性。对于Ni 基合金也不能承受的高温强烈磨损场合，这种措施特别有效。
本文研究了经两种强化剂增强的 NiCrBSiC 自熔合金的微磨料磨损和腐蚀性能，一种强化剂为碳化硼，另一种为以氧化钇稳定化的氧化锆。
1 材料与方法
试样采用 TERODYN 2000 装置热喷涂，自熔涂层合金的化学成分列于表 1。牌号为 NI-1024/1275H 的 NiCrBSiC 自熔合金由 PRAXAIR 表面技术公司提供。含 B4C 或 ZrO2/ Y2O3硬质颗粒的涂层的配方为 3 份自熔合金粉末加 1 份硬质颗粒( 体积) ，B4C 颗粒的平均尺寸为 80 ～ 100 μm，ZrO2颗粒用8% Y2O3稳定化，其平均尺寸为 10 ～45 μm。在 AISI 1020 钢板上用火焰喷涂法获得涂层。
热喷涂工艺参数: 喷射距离 120 mm，氧气压力 3． 5× 105Pa，乙炔压力 7． 5 × 105Pa。喷涂后，将涂层重新熔化，以消除孔隙。为了获得镜面光洁度的表面，先对喷涂后的试样进行磨削，然后再用金刚石抛光。磨削后的涂层厚约 0． 6 mm。用数显式硬度计测定显微硬度，载荷 300 g，加载时间 10 s。在 Zeiss 显微镜上利用干涉衬度技术进行光学显微分析，并在LEO440 型钨丝光源扫描电镜( SEM) 上进行电子显微分析。
1． 1 微磨料磨损
磨损试验在自由球结构的微磨料磨损试验机上进行，采用两种磨料及直径为 25． 4 mm 的 52100 钢球。试验前，球体用 10% 硝酸乙醇溶液浸蚀。氧化铝磨料的颗粒尺寸为 5 μm，氧化铝水溶液浓度为0． 3 g / ml，在球与试样之间滴注磨料溶液的时间间隔为20 s。金刚石磨料为 Buehler 工业溶液，磨粒尺寸为 1 μm，滴注时间间隔 2 min。试验中，两种磨料均采用 500 r/min 转速，载荷 0． 2 N。
分别在每种试验条件下进行 2． 5 min，5 min，10 min和 20 min 试验后，每件试样都产生了 4 条连续的磨痕。每进行一次试验后都拍摄磨痕的光学显微照片，随后测定其直径，并绘制质量损失( 体积) -距离的曲线图。
1． 2 腐蚀试验
在涂层抛光后采用普通金相制样技术制备腐蚀试验用试样。用于获得电动力学极化曲线的电化学电池由饱和甘汞标准电极( SCE) 与铂金辅助电极组成。所用电解液为来自巴西 Recife 海的天然海水( pH 8． 0) 。此外还采用 Autolab-VGSTAT-302 稳压器来检测电势和电流。涂层的极化曲线以 1 mV/s的扫描速度和 －0． 8 ～ 1． 125 V 的电压获得。
2 结果与讨论．
涂层的光学显微照片示于图 1。图 1( a) 未添加硬质粒子，图 1( b) 添加了以氧化釔稳定化的氧化锆，图 1( c) 添加了碳化硼。试样用 1% 硝酸乙醇溶液侵蚀。
即使添加了硬质颗粒，所有涂层均有一些孔隙，这是热喷涂涂层难以避免的现象。应说明的是，无添加剂的自熔 NiCrBSiC 合金侵蚀后严重受损，而添加 ZrO2和 B4C 的涂层则外观正常。所有情况下基体材料的特性均相同。加与未加增强剂的试样的显微硬度列于表 2。
由表2 可知，添加硬质颗粒能显著提高涂层的硬度。加入氧化锆使涂层硬度提高90 HV( 13%) ，而加入碳化硼则使涂层硬度提高约 160 HV( 23%) ，这说明可通过添加硬质颗粒来控制自熔合金粉末的性能。图 2 为采用氧化铝和金刚石作磨料进行磨损试验时，涂层的体积损失与磨损距离之间的关系曲线。由体积磨损曲线可知，两种磨料造成的试样质量损失都较缓慢，但由氧化铝产生的磨损量( 图 2( a) ) 比由金刚石产生的( 图 2( b) ) 大，这可能是磨料颗粒的尺寸不同所致。另外发现，在采用上述两种磨料的情况下，涂层硬度与其耐显微磨料磨损性能之间存在一种间接关系。通常，硬度越高，磨损掉的体积越小。
微磨料磨损曲线表明，不论用氧化铝还是用金刚石作磨料，添加硬质颗粒均能提高涂层的耐磨性。与添加氧化锆的试样相比，添加碳化硼制备的涂层耐磨性更高( 体积损失更少) ，在用氧化铝和金刚石作磨料的情况下，经800 m 磨损试验后，其总体积损失约小 2 倍。
图 3 为加入氧化锆的试样磨痕内部的电子微观形貌，磨痕是用氧化铝( 图 3( a) ) 和金刚石( 图 3( b) ) 作磨料磨损试验 100 m( 2． 5 min) 后产生的。对于 3 种涂层，用氧化铝和金刚石作磨料，磨痕内部均发现有开槽过程所致的划痕。用氧化铝作磨料时，这些沟槽由于磨料颗粒平均尺寸的差异而更加明显。图 3 中箭头表示磨损试验时试样的运动方向。
图4 为加和未加强化颗粒的涂层在天然海水中的电动极化曲线。图 4 表明，含 ZrO2/ Y2O3的试样的极化曲线处于其他曲线的上方，其腐蚀电势为－ 311． 7 mV。这些材料按耐蚀性能递增排序为: 无添加剂( 纯自熔 NiCrBSiC 合金) ，添加 B4C 的试样，添加ZrO2的试样，后两者的腐蚀电动势均比纯自熔合金约大240 mV。因此，自熔合金中加入 ZrO2/ Y2O3得到的涂层防天然海水腐蚀的效果要好于其他两种涂层。
3 结论
本文研究结果表明，添加硬质颗粒有利于提高涂层硬度，改善涂层的摩擦学性能和耐蚀性能。在所有的试验条件下，在自熔合金中加入碳化硼能使涂层获得更高的硬度和更好的显微磨损性能，加入ZrO2/ Y2O3的效果要差一些。在自熔合金中加入ZrO2/ Y2O3，则涂层在天然海水中的腐蚀电势更高，这表明耐蚀性能好于所研究的其他涂层。一般说，在热喷涂的自熔合金中加入硬质颗粒将使涂层具有良好的耐磨、耐蚀性能，这与所加入的颗粒的特性有关。由此看来，加入硬质颗粒是扩大这种涂层的应用范围的有效途径。
参考文献略
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