摘要:通过采用平稳加载往复滑动和动态加载冲击划痕2种试验条件,研究了以钴基合金为重点的3种热喷涂涂层的耐磨性,并初步探讨了其磨损机理.结果表明:3种涂层在滑动摩擦过程中的磨损机制为微切削和犁削;在冲击划痕条件下材料流失方式则以凿削和断裂为主.试验结果证实,热喷涂涂层的耐磨性不仅与其宏观硬度有关,还与涂层的塑性、脆性及内聚强度密切相关.
关键词:热喷涂涂层;耐磨性;塑性;脆性;内聚强度
钴基合金以其优良的高温性能及摩擦学性能而在涡轮叶片上获得应用,但因其价格昂贵而促使人们以钴基合金涂层来代替整体合金.随着对航空发动机技术要求的提高,如高性能、高翻修寿命以及高可靠性等,工艺简便、用材广泛、适用于各种基体的热喷涂技术得到迅速发展.从提高耐磨性出发,优选应用于发动机涡轮叶片的涂层,对延长发动机的使用寿命和降低成本具有重要意义.有关热喷涂涂层的应用及耐磨性的研究报道较多[1～4],但迄今国内对钴基合金涂层耐磨性的研究报道很少,且多以提高涂层宏观硬度的方法来提高涂层耐磨性.本文作者选择宏观硬度大体相当的钴基合金涂层Greatwall-1、X-40以及Cr3C2-NiCr涂层作为研究对象,通过不同的加载方式,研究涂层的塑、脆特性及内聚强度的差别对其耐磨性能的影响.
1 实验部分
1.1 试验材料
以1Cr18Ni9不锈钢为热喷涂的基体材料,片状样品尺寸为45mm×25mm×3mm;采用等离子喷涂方法制备3种涂层,涂层厚度均为0.3mm.在进行摩擦磨损试验前对所有涂层试样进行研磨,使其表面粗糙度Ra均在1μm以下.采用DXT-3型数显硬度计,按HR-15N标准测定涂层的宏观硬度.2种钴基合金和Cr3C2-NiCr涂层粉末原料的化学成分以及各涂层的宏观硬度见表1（略）.
1.2 试验设备与方法
在MT8-002型往复式滑动摩擦磨损试验机上进行平稳加载摩擦磨损试验,对摩销试样为金刚石洛氏硬度压头,锥角120°,顶部曲率半径200μm.试验条件:平均滑动速度0.01m/s,往复距离8.5mm,载荷5N、10N和15N,试验时间1h.用2201型表面形貌仪测量磨痕的截面积并据此计算磨损体积损失,以单位磨损行程下的磨损体积损失评价涂层的耐磨性能.采用扫描电子显微镜(SEM)观察不同载荷下磨痕表面形貌,分析探讨平稳加载条件下涂层的磨损机制和塑、脆性能.
单摆冲击划痕试验可以用来研究材料在冲击加载条件下的摩擦学行为,特别是能够用来考察材料的塑、脆性能[5～7].试验选定初始摆角为80°,入侵速度为2.1m/s.自由释放摆锤,令安装在摆锤下端的圆锥状硬质合金(YG6)划头在试样表面划出一系列深浅不同的弧形槽.根据划痕前后的摆角差,计算出每次划痕所消耗的能量;根据表面形貌仪和读数显微镜测出的结果计算划痕体积和表面积.
用划痕单位体积及单位面积上所消耗的能量,即比能耗和内聚能来表征涂层的耐冲击磨损性能及层间内聚强度.对各涂层在相同试验参数下的冲击划痕形貌进行SEM对比分析,观察涂层的破坏形貌特征,并讨论其塑、脆性能.
2 结果与讨论
2.1 平稳加载下涂层的耐磨性
在滑动干摩擦试验中,测量3种载荷下各涂层的磨损量(单位磨损行程下的体积损失),以单位载荷下的磨损量作为磨损率,用其倒数的大小来衡量涂层材料的耐磨性即抗滑动磨损能力.3种涂层的磨损量与载荷的关系如图1（略）所示,各磨损曲线的斜率即该涂层的磨损率.可以看出,在本试验载荷范围内,涂层的磨损率与载荷无关,但宏观硬度相近的3种涂层的耐磨性相差很大.通过计算发现,X-40钴基合金涂层的磨损率最低,约为Greatwall-1钴基合金涂层磨损率的九分之一,而Cr3C2-NiCr涂层的磨损率居于二者之间.X-40涂层、Cr3C2-NiCr涂层、Greatwall-1涂层三者的相对耐磨性为8.9:3.8:1.0.
图2（略）所示为滑动干摩擦条件下磨痕形貌SEM照片.可以看出,磨痕表层均呈现明显犁沟特征,微切削和犁削是造成涂层材料流失的主要机制.这是由于在滑动磨损过程中,销试样的金刚石磨头可以磨削涂层中的软、硬质点,并可犁去部分涂层.
在图2(a和b)中都可观察到沿滑动方向的塑性流动迹象,说明等离子热喷涂钴基合金涂层的塑性较好;但Greatwall-1涂层中的WC强化相含量较X-40涂层的低,故更易发生塑性变形.图2(a)表明金刚石磨头对Greatwall-1涂层的层状结构的犁削和破坏很严重,而图2(b)中涂层的犁沟最为平整,显示X-40涂层的韧性和层间结合较好.因此在滑动摩擦磨损条件下,X-40涂层的耐磨性远优于Greatwall-1涂层.
Cr3C2-NiCr涂层在滑动磨损过程中形成典型的网状裂纹[见图2(c)].这预示硬度略高的Cr3C2-NiCr涂层的脆性很大.在压应力和拉应力的反复作用下,脆性涂层易产生微裂纹,并沿层间扩展造成涂层的断裂和剥离,对其耐磨性不利.但在平稳加载试验条件下,裂纹尚未造成Cr3C2-NiCr层状结构的大片剥离,故其耐磨性虽低于钴基合金的X-40涂层,却仍优于Greatwall-1涂层.
2.2 冲击载荷下涂层的耐磨性
在单摆冲击划痕条件下,由于划头为硬质合金,所加载荷的变化率极大(在本试验条件下加载率最高可达到1×104N/s),材料磨损机制包括凿削和断裂.比能耗[6]包含表面材料的塑性变形功、断裂功、新表面形成能以及划头与材料间的摩擦功等,能较好地反映材料的抗冲击和磨粒磨损行为.3种涂层的比能耗e随划痕深度变化的关系曲线如图3（略）所示.可以看出, 在划痕较浅时,比能耗随着划痕深度的增加而迅速下降,而达到一定深度后变化趋于平稳.这是由于随着划痕深度的增加,划痕表面积的增长率低于体积的增长率,即材料在磨损过程中消耗在界面上的能量增长远远低于消耗在体积上的增长,因而划痕较深时表面积增加所造成的影响越来越小.
采用相同划痕深度所对应的比能耗或曲线平稳变化阶段的比能耗作为判据,对材料的抗冲击磨损性能进行比较.与平稳加载下不同,在本试验范围内,动态加载下Cr3C2-NiCr涂层的抗冲击磨损性能不如Greatwall-1涂层,可见硬而脆的Cr3C2-NiCr涂层对冲击加载条件下的磨损较敏感.
在单摆冲击划痕过程中,划头可逐层犁削材料并产生新的表面,相应地可以测得不同的能量损耗,这表明分开一定量键合原子与消耗的能量有关.因此可将单位划痕表面所消耗的能量近似视作材料的内聚结合能,并将其作为涂层内聚结合强度的判据.计算每种涂层的两条划痕,得到X-40的内聚结合强度判据为0.100J/mm2,Cr3C2-NiCr的为0.091J/mm2,Greatwall-1涂层的为0.040J/mm2.值得注意的是,上述涂层内聚结合强度判据排序同涂层的滑动磨损性能排序相同.这表明在平稳加载条件下,3种涂层的耐磨性可能主要取决于热喷涂层的层状结构的内聚强度.
图4（略）所示为单摆冲击划痕条件下3种涂层划痕的SEM形貌照片.由图4(a)可见,Greatwall-1涂层在硬质划头冲击加载的犁削作用下产生严重塑性变形,划痕表面出现明显的层状剥离现象,大量磨屑被推挤到划痕两侧,表明这种涂层的层间结合力较弱.这是由于Greatwall-1涂层中Si含量较高,Si在喷涂过程中可能以脆性夹杂相存在于合金相中,影响合金的相互融合所致.X-40涂层在硬质划头冲击加载的凿削和犁削作用下,塑性变形较轻微[图4(b)];在划痕表面出现与滑动方向成45°角的细密微裂纹,被凿削下来的少量涂层材料仍保留在划痕两侧.表明这种涂层有一定的变形能力,而且其塑、脆性能比较适中.而由图4(c)可见,Cr3C2-NiCr涂层在硬质划头冲击加载的凿削作用下几乎不发生塑性变形,划痕表面出现与滑动方向成45°角的较长裂纹,大量较薄的层状脱落出现在划痕两侧.被凿碎的材料完全从基体中脱离,呈现较明显的脆性断裂特征.Cr3C2-NiCr涂层的变形能力和韧性最差,这是由碳化铬的性质决定的.
总体而言,宏观硬度大体相当的3种涂层的耐磨性差异很大.X-40涂层虽然硬度略低于Cr3C2-NiCr涂层,却因含有WC强化相并具有良好的韧性和内聚强度,在2种加载方式下耐磨性最佳.Cr3C2-NiCr涂层宏观硬度最高,脆性也最大;而Greatwall-1涂层的内聚强度和硬度最低,但塑性较好,因此在不同的加载条件下这2种涂层的耐磨性不如X-40涂层.
3 结论
a. 3种涂层在滑动摩擦过程中的磨损机制是微切削和犁削,在冲击划痕时的材料流失方式则以凿削和断裂为主.
b. 平稳加载下3种涂层的耐磨性强弱依次为:X-40涂层>Cr3C2-NiCr涂层>Greatwall-1涂层,其耐磨性主要决定于涂层的层状结构的内聚强度.在动态加载下3种涂层的耐磨性依次为:X-40涂层>Greatwall-1涂层>Cr3C2-NiCr涂层,此时其耐磨性主要决定于涂层的韧性.
c. 热喷涂涂层的耐磨性不仅与其宏观硬度有关,还与涂层的塑、脆性能和层间内聚强度密切相关.
参考文献:（略）
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