摘 要:该文综述了热喷涂技术在摩擦磨损领域应用的研究现状及进展,主要论述了喷涂方法、喷涂工艺、喷涂材料、涂层结构、涂层处理及喷涂涂层的磨损机理等方面在摩擦磨损领域的研究与进展,通过上述几方面的讨论与分析,总结了热喷涂涂层在摩擦磨损领域具体的应用情况,分析和总结了热喷涂涂层在摩擦磨损领域应用失效的主要原因和形式,并提出了提高热喷涂技术在摩擦磨损领域应用能力的方法和措施。
关键词:热喷涂;摩擦;磨损
热喷涂技术是表面技术的一种,热喷涂是指将熔融状态的喷涂材料,通过高速气流使其雾化喷射到零件表面上,形成喷涂层的一种金属表面加工方法。目前使用的热喷涂方法有:火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂及爆炸喷涂等,一些先进的喷涂技术如激光喷涂、冷空气动力喷涂、反应火焰喷涂等也在逐步研究和应用。
热喷涂技术自1910年发明以来,其应用领域十分广泛,可以解决零件表面的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、绝缘及导电等性能。目前热喷涂技术在摩擦磨损方面应用的日益广泛,已成为一种提高零件表面摩擦磨损性能的重要技术[1]。
喷涂涂层的摩擦磨损性能是由涂层的材料成分、相结构及其分布、微观结构、孔隙率及残余应力等决定的[2],涂层的这些性能主要由喷涂方法、喷涂工艺、喷涂材料及涂层处理等方面决定的。本文就通过以上几个方面在摩擦磨损领域的应用研究进行详细的阐述和分析。
1 喷涂方法
使用不同喷涂方法制备的涂层摩擦性能有些明显的差异,爆炸喷涂涂层比等离子喷涂涂层更加致密,爆炸喷涂涂层的抗磨损性能高于等离子喷涂涂层,等离子喷涂层固有的孔隙和氧化物夹杂作为疲劳裂纹萌生的核心,应加以严格控制[3]。
新的喷涂方法如激光喷涂可以改善涂层性能。利用激光喷涂和等离子喷涂的1Cr18Ni9Ti涂层,两者相比,前者的微观结构比后者的要精细,前者的抗磨损性能比后者的也要高,而且有较好的摩擦性能[4]。
通过研究可以得出,喷涂方法的能量密度及送粉气体流量影响着涂层的致密性和微观结构。
2 喷涂工艺参数
涂层裂纹的数量和深度很大程度上取决与喷涂工艺参数[5],所以对喷涂工艺参数的研究和优化是提高涂层摩擦磨损性能的必要途径。如等离子喷涂Ta/W /Sn涂层,涂层良好的微观结构和均匀膜厚可以通过参数调节来实现,喷涂材料的熔融程度受到喷涂功率和喷涂速率的很大影响[6]。采用不同的爆炸喷涂工艺参数制备了Ni包WC涂层,当比值O2/C2H2= 2时,可获得致密的涂层,涂层的耐磨性能较高,其它条件下的涂层组织较则疏松[7]。
对于热喷涂工艺参数的确定,可以使用实验设计的方法,然后进行回归分析得出喷涂工艺的优化值。例如基于正交试验设计方法,文献[8]系统研究了喷涂工艺参数对超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层冲蚀磨损性能的影响。
3 喷涂材料
3. 1 喷涂材料的种类
热喷涂材料的范围非常广泛,金属材料、陶瓷材料、有机聚合物材料及生物材料都可以作为热喷涂材料。材料的复合、纳米材料、新合金材料及非晶材料的研究和使用提高了涂层的性能,成为热喷涂材料的发展趋势。
目前使用在摩擦磨损方面的金属热喷涂材料有:Al、Cu、Mn、Cr、Mo、W、Co等及其合金。如Co/Cr/Mo喷涂涂层在所有温度情况下都可以减小摩擦,在高温时可以降低磨损。在TiAl基合金表面喷涂Mo,能显著提高其耐磨性。等离子喷涂CoCrW涂层硬度高,在微动磨损情况中,涂层具有良好的耐磨性[9]。
陶瓷材料由于其优异的高温性能而成为热喷涂中常用的一种喷涂材料。热喷涂陶瓷材料应用在摩擦磨损方面的主要有:氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等,氧化物陶瓷包括:氧化铝、氧化铬、二氧化钛等,碳化物陶瓷包括:碳化钨、碳化铬、碳化钛等。在不锈钢表面通过等离子喷涂Al2O3#TiO2、Cr2O3#5SiO2#3TiO2、ZrO2#MgO陶瓷可以使摩擦副元件同时具有金属的韧性和陶瓷的耐磨性[10]。金刚石材料也正在进一步的研究和使用中[11]。
石墨有着独特的层状晶粒结构,这使其成为一种良好的润滑、减磨材料,逐步在热喷涂涂层中使用。热喷涂料中加入石墨可以有效减小材料的摩擦系数,增加材料的耐磨性以及减小对偶件的磨损[12]。
用于热喷涂的低熔点热塑材料有:聚氨酯、聚乙烯、乙烯等;高熔点材料有:聚苯硫醚、聚醚醚酮等。至今有机聚合物材料涂层在腐蚀防护方面有了较为成熟的应用,在摩擦磨损方面的应用还需进一步研究。
喷涂材料的复合使用主要有:金属合金、金属与非金属合金复合(金属与非金属元素物质复合、金属与陶瓷复合、金属与聚合物复合)及陶瓷与聚合物复合等。复合材料可以综合不同材料相的各种优点,从而进一步提高涂层的性能。例如乙烯基树脂和金属的混合喷涂材料,可对金属表面的磨损、裂纹、铸造缺陷进行修复[13]。NiCrBSi合金涂层在500bC高温下仍能保持较高的抗磨损性能[14]。陶瓷与金属复合材料解决了单一陶瓷喷涂材料孔隙率较大、与金属基材等热膨胀系数相差大等缺点。WC-CoCr合金涂层由于其中加入了Cr金属,可以改善涂层相的结构,从而提高涂层抗磨损性能[15]。使用电弧喷涂3Cr13丝材和Co/WC粉末复合,在与钢件对磨时,粉末复合电弧喷涂层与普通电弧喷涂层相比,摩擦系数稍低,粉末复合电弧喷涂层具有较高的硬度和更好的耐磨性[16]。
3. 2 喷涂材料的形状以及颗粒尺度
喷涂材料的形状或者粉末喷涂的颗粒尺度会影响喷涂时喷涂材料的熔融程度、涂层的晶粒大小形态及涂层的残余应力等,尤其是颗粒喷涂材料的颗粒尺度对涂层影响更大。随着纳米技术的发展,在喷涂中也经常使用纳米级颗粒喷涂材料进行喷涂,涂层较常规微米级涂层结构有明显改善,涂层组织细化,分布均匀,孔隙率降低;涂层残余应力降低,亚微裂纹减少,耐磨和耐腐蚀性明显提高[17]。
粉末喷涂材料的整体粉末颗粒大小的均匀性,粒度范围等对涂层性能起到很大的影响。烧结法生产的碳化物粉末,其粒度均匀、形状规则(接近球形)、表面粗糙多孔、粒度范围窄、流动性好,其涂层性能明显优于其它类型粉末的涂层。
3. 3 喷涂材料的化学成分
喷涂材料所含元素的种类和含量都影响着涂层的摩擦磨损性能。如含有碳的银金属,碳含量在19% ~42%之间,喷涂表面非常光滑,含有碳的银涂层的摩擦系数比青铜底层的降低2. 5倍[18]。在陶瓷涂层中,改变一些陶瓷的化学成分,涂层的性能就会有质的提高,如在WC-Co涂层中添加VC成分,就会使得涂层的抗磨损能力得到很大的提高[19]。
稀土的添加对涂层性能的影响是材料的复合的热点,主要是由于喷涂材料中加入稀有金属或稀有金属氧化物会使得涂层致密,各种元素间产生自放热效应,导致微冶金结合,适量稀土的加入净化了涂层界面,改变了夹杂物的形貌特征,降低粉末的熔点,加大涂层的润湿铺展,有助于在涂层表面形成连续的氧化膜,防止胶合等,提高了涂层与基体的结合强度,也提高了涂层的耐磨性能[20]。
化学成分对涂层性能的影响不是单一的,在Fe-C粉末中加入一定比例的镍金属形成复合喷涂材料,得到的涂层随着镍的含量的增加其抗腐蚀能力增强,但涂层的硬度下降,涂层抗磨性能随着镍的含量的增加而减小[21]。
4 涂层结构
热喷涂涂层在摩擦磨损时涂层的脱落是经常出现的问题,通过涂层结构的设计,在一定程度上可提高涂层的结合强度,如NiCrAlZrO2混合涂层作为过渡层,过渡层表面相主要是Ni和ZrO2,基体为冶金结合。这种表面预处理形成了粗糙多孔的过渡层,提高了氧化铝分散层与金属基体的粘结力,并缓解了界面处的热应力[22]。
5 涂层后处理
涂层在喷涂完成后,再进行热处理等处理,会使得涂层与基体产生钎焊结合或者使得涂层更加致密从而使得涂层的摩擦磨损性能得到提高。WC-Co陶瓷涂层材料经宽带激光重熔,能够得到结合良好的激光重熔层,涂层与基体的结合强度增强,孔隙率明显减少,涂层的致密程度和硬度提高,同时,耐磨性能也得到增强[23]。
6 涂层摩擦磨损机理
涂层的摩擦特性和磨损机理的研究主要在摩擦磨损机理和失效原因以及工况改变下的摩擦磨损机理变化两方面。
涂层由于摩擦作用,涂层组织在工作中会发生改变, Fe-Cr-B-N-iMo合金爆炸喷涂涂层经过摩擦,诱使涂层的微观组织从水晶矩形组织转化未未定型的表面层,组织的改变就会使得涂层更加耐磨[24]。CoCrW涂层的微动磨损开始阶段以粘着磨损为主,过渡阶段以氧化磨损为主,稳定阶段以疲劳磨损为主。WC/18Co涂层开始阶段以粘着磨损;稳定阶段以疲劳脱层和脆性开裂剥落为主[25]。
A-l6Cu-Mn喷涂涂层在干滑动摩擦情况下,在不同的载荷和速度情况下,涂层的磨损速率和磨损形式是不同的[26]。低碳钢等离子涂层,在低速高载时磨损速率较大,而在高速高载情况下,磨损速率降低,主要是由于在高速高载情况下,涂层会产生氧化摩擦层,从而提高抗磨损能力[27]。
通过图层摩擦磨损机理的研究,涂层在摩擦磨损应用中失效的原因主要有以下几方面:
(1)喷涂材料及涂层的硬度不高,在磨损中快速磨损失效;
(2)涂层中含有氧化物或未熔化的喷涂颗粒使得涂层孔隙率增加及孔隙增大,使得涂层在摩擦时容易产生裂纹,导致涂层失效;
(3)涂层的残余应力较大,使涂层容易产生裂纹及剥层脱落而失效;
(4)喷涂材料与基体材料的亲和性差,使得涂层与基体的结合强度不高,使得涂层剥落而失效;
(5)喷涂材料像陶瓷类材料韧性差,在磨损容易产生脆裂,从而导致涂层失效。
7 结语
根据热喷涂技术在摩擦磨损领域应用的研究成果,为改善涂层摩擦磨损的性能可采取以下措施:
(1)采用新的喷涂技术及优化喷涂工艺参数减少涂层的氧化物及未熔化杂质,提高涂层的致密性。
(2)对涂层进行处理,或者喷涂技术与其他技术相结合,如对涂层进行热处理等改善涂层的结构组织及残余应力等,提高与基体的结合强度。
(3)对涂层进行结构设计,如喷涂过渡涂层、梯度涂层结构、反应生成涂层等提高涂层的结合强度。
(4)进行材料的复合使用及新材料,选用性能可以互补的材料复合使用,以提高涂层的各种性能。
(5)利用涂层的磨损机理及形式不同及涂层性能相互之间的影响,选择涂层合适使用的工况,提高涂层的使用性能。
参考文献略
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