等离子喷涂纳米Al2O3/TiO2涂层耐磨性的研究
邸英浩,张建新,阎殿然
金属热处理
摘要:采用液相喷雾造粒的方法将纳米粒子团聚成微米级颗粒,并利用等离子喷涂技术制备出了含有纳米结构的陶瓷涂层。在MM200型环块磨损试验机上进行了常温干摩擦试验,比较了纳米结构涂层和传统陶瓷涂层的耐磨损性能,利用扫描电镜观察了磨损后的磨痕形貌。结果表明,纳米涂层的耐磨损性能明显好于传统陶瓷涂层,且随着磨损载荷的增大,纳米涂层和传统涂层的磨损机制的变化是不同的。传统涂层的磨损机理主要是微裂纹和颗粒的剥落,而相同条件下纳米涂层则由于涂层韧性的提高,几乎不存在微裂纹,主要表现为涂层的局部剥落和粘着。
关键词:等离子喷涂;纳米涂层;磨损机制;Al2O3/TiO2涂层
机械磨损在我国每年造成的损失达到上百亿元[1],目前已经有很多方法提高材料的耐磨性,其中,用等离子喷涂技术在基体材料上喷涂陶瓷涂层具有简便易行的优点,所以得到广泛的应用。Al2O3/TiO2复合陶瓷涂层具有硬度高、耐高温和耐磨等优点,有效地延长了部件的使用寿命,因此在很多行业中得到了应用[2, 3]。目前对传统Al2O3/TiO2复合涂层磨损特性的研究已有不少,但对纳米结构Al2O3/TiO2涂层的磨损机制研究较少,本文着重研究了纳米结构涂层的磨损机制,并对纳米结构涂层和传统涂层的磨损性能和机制作了比较。
1 试验材料及方法
1·1 试样的制备
试验原始粉体选用山东先广纳米有限公司生产的纳米Al2O3和TiO2粉末,两种粉体的尺寸为80nm~120nm。用液相喷雾造粒的方法将其团聚成微米颗粒,尺寸为20μm~60μm,喷雾造粒工艺流程为[4]:料浆溶液的配制(Al2O3+13%TiO2(质量分数,下同),以下简称13AT)→喷雾造粒→粉体收集→粉体烧结→筛选→喷涂,粉体形貌见图1。作为对比,试验还选用商用微米Al2O3+13%TiO2(简称AT13)粉体。试样基体为45钢,尺寸为9mm×10mm×12mm,将试样表面先进行喷砂处理,然后应用等离子喷涂设备喷涂成磨损试样,喷涂参数见表1
1·2 试验方法及设备
用数字型显微硬度计测试涂层的显微硬度,取10个点打硬度后取其平均值,所用载荷砝码为100g。应用PHILIPS XL30/TMP型扫描电镜和PHILIPS TEC2NAI20型透射电镜对涂层的微观结构进行观察。涂层的耐磨性试验在MM2200型磨损试验机上进行,采用“环2块”相对滑动对磨方式,对磨环的接触方式为试块不动,通过对磨环的旋转实现相对滑动,对磨示意图见图2。对磨环的材料为GCr15钢,硬度为61HRC。采用干磨方式(磨损时间为0·5h),使用不同载荷(100N~500N),环线速度为0·4m/s。磨损完毕卸载后用测量精度为0·1mm的金相显微镜和测微目镜测量试块上的磨痕宽度。试验结束后利用扫描电镜对磨损表面的形貌进行分析,研究涂层摩擦磨损机理。材料的耐磨性能经计算后用磨损体积△V(mm3)来衡量,减磨性能用摩擦系数μ来衡量。所有试验数据均为3个试样测试后取的平均值。
2 结果与讨论
2·1 涂层的显微硬度和显微结构
传统AT13涂层和纳米13AT涂层的显微硬度分别为996HV0·1和1133HV0·1,可见纳米结构涂层较传统涂层的硬度有了一定的提高。图3a和图3b分别是纳米13AT涂层和传统微米AT13涂层的扫描电镜照片。由图3a中可以看出,涂层中存在适当比例的未熔或半熔态的纳米粒子和充分熔化的片层状组织,分析认为这种双重的结构对于提高涂层的韧性是非常有利的[5, 6];由图3b可以看出传统涂层中只存在片层组织和少量的喷涂缺陷。
图4是纳米13AT涂层的透射电镜照片。从图4a中可以看出,涂层的晶粒尺寸在200nm~300nm左右,而且在涂层的局部区域内存在着几十纳米大小的未熔态纳米颗粒(见图4b),经EDS检测为氧化铝,未熔颗粒与基体间的界面结合较好。这说明涂层中存在的双重微观组织对于提高涂层的韧性非常有利,因为当裂纹扩展至未熔或半熔颗粒与基体组织界面附近时,这些颗粒不但可以吸收裂纹扩展能量,而且对于裂纹有阻止和使其偏移的作用。而传统涂层中只存在片层状组织,由于片层组织间的结合力较弱,裂纹沿层间扩展较容易且迅速,因此表现出较差的韧性[7]。
2·2 涂层的摩擦学特性
磨损试验结果表明,在载荷分别为200N、300N、400N、500N时,纳米AT13涂层的摩擦系数分别为0·58、0·57、0·55、0·48,而微米AT13涂层则为0·58、0·55、0·54、0·52。可见,摩擦系数随着载荷的增大而略有减小,在较低载荷时,两种涂层的摩擦系数比较接近,而在高载荷时,纳米涂层的摩擦系数要小于传统微米涂层的,这表明在较高载荷时,纳米13AT涂层的减磨性要比传统微米AT13涂层的好。
纳米13AT涂层和微米AT13涂层的体积损失量随载荷的变化曲线见图5,涂层的磨损体积损失量随载荷增大而升高,且纳米涂层体积损失量明显少于传统涂层的,说明在相同条件下纳米涂层的耐磨性要明显比传统涂层的好。当载荷<400N时,微米AT13涂层的磨损曲线斜率基本没有变化;当载荷超过400N时,其体积损失量明显增大,说明其磨损机制发生了变化。图6a是微米AT13涂层在200N下的磨痕表面照片,可见网状裂纹和少量颗粒剥离后的界面,这是因为等离子喷涂层具有层状结构,层间结合力较小,在应力的反复作用下,缺陷处形成裂纹并沿层间扩展。图6b是微米AT13涂层在500N下的磨痕表面照片,可见除了微裂纹,还有较多的局部剥落迹象,这是因为随载荷的增大,在形成微裂纹的同时,应力反复作用使涂层产生了剥落。
图7a是纳米13AT涂层在200N载荷下的磨痕照片,图7b是图7a中A处的高倍放大,可见磨痕表面存在很多经磨损后的片状组织,从图7b中还可以看到较多的细小颗粒和部分未熔的纳米颗粒。与传统微米AT13涂层相比,几乎看不到微裂纹,这是因为在纳米结构涂层中存在着起骨架作用的层状组织,使涂层具有较高的耐磨性,另一方面也存在着较多的纳米颗粒,使涂层的韧性得以提高,使得裂纹扩展能量被吸收,裂纹的扩展速度减慢,因而纳米涂层较传统微米涂层耐磨。当载荷为500N时,从图7c和图7d(图7c中B处的高倍放大)可以看出,涂层磨痕表面仍存在较多磨损后的片状组织,这时涂层中的层状组织沿磨损方向产生的形变更加剧烈。从图7d可以看出涂层磨痕表面仍存在很多未长大颗粒和未熔纳米颗粒,这些颗粒大部分镶嵌在基体组织中,起到了增韧的效果。同时随着载荷的增大,出现了较明显的颗粒拔出和局部剥落,当部分小颗粒脱离层状组织时,颗粒由于强度不高则可能被对磨环压碎而附着在磨痕表面形成了粘着,但此时在磨痕中仍然看不到明显的裂纹,说明涂层的韧性有了较大的提高。
3 结论
(1)将液相喷雾造粒与等离子喷涂相结合,制备了纳米结构涂层,涂层中存在由片层状组织和未熔或半熔态纳米颗粒组成的双重组织,且涂层的韧性和耐磨性能得到明显的提高。
(2)在相同试验条件下,纳米涂层的耐磨性能要明显好于传统微米涂层的。随着载荷的增大,二者的磨损机制变化是不同的。
(3)传统涂层的磨损机理主要是微裂纹和颗粒的剥落,而相同条件下纳米涂层则由于涂层韧性的提高,几乎不存在微裂纹,主要表现为涂层的局部剥落和粘着。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
