1100℃下MoSi2涂層的高溫摩擦磨損性能研究

胡小平 顏建輝 黃之初 張厚安

1.武漢理工大學，武漢，430070 2.湖南科技大學，湘潭，411201 3.廈門理工學院，廈門，361024

1100℃下MoSi2涂層的高溫摩擦磨損性能研究

胡小平1，2顏建輝2黃之初1張厚安3

1.武漢理工大學，武漢，430070 2.湖南科技大學，湘潭，411201 3.廈門理工學院，廈門，361024

為提高K403鎳基高溫合金的高溫耐磨損能力，采用大氣等離子噴涂在鎳基上制備了金屬間化合物MoSi2涂層，比較分析了基體和涂層與Al2O3配對摩擦副在1100℃下的高溫摩擦磨損性能，并采用X射線衍射儀和掃描電鏡對摩擦磨損表面進行了物相、形貌和成分分析，進而分析了基體和涂層的磨損機理。研究結果表明：K403合金的摩擦因數在0.35～0.5范圍內變化，而MoSi2涂層的摩擦因數在0.65左右波動；MoSi2涂層的磨損率約是基體材料的0.5倍，涂覆MoSi2涂層后，提高了鎳基高溫合金耐高溫磨損能力；鎳基合金的高溫摩擦磨損機制主要為氧化磨損和疲勞斷裂，載荷較小（10N）時，MoSi2涂層的磨損機制主要表現為氧化磨損，較大載荷（40N）時，MoSi2涂層的磨損機制主要表現為氧化磨損和疲勞脆性斷裂。

MoSi2涂層；鎳基合金；高溫摩擦磨損性能；磨損機理

0 引言

鎳基高溫合金因其優異的高溫力學性能而被廣泛用于制造航空發動機和各類燃氣輪機熱端部件，如渦輪機部分的工作葉片、導向熱片、渦輪盤、燃燒室等部件［1］。越來越高的渦輪進口溫度要求其葉片材料必須具有更高的抗高溫氧化腐蝕的能力［2］，為提高鎳基合金的高溫氧化腐蝕和耐高溫性能，使用鋁元涂層、熱障涂層和高溫合金微晶涂層是非常有效的方法［3］。另外，航空發動機中的渦輪葉片和壓氣機葉片在高溫高速運轉過程中，磨損也是其失效的主要原因之一。一方面磨損會使渦輪葉片產生凹坑，增加表面粗糙度，產生疲勞裂紋，造成葉片斷裂，而壓氣機葉片頂端磨損會導致葉片與壓氣機殼體間隙增大而漏氣，降低發動機功率；另一方面磨損還會使葉片表面耐高溫涂層脫落，加速葉片的高溫蠕變，導致葉片強度降低或斷裂［4］。所以，有必要對鎳基合金及其防護涂層的高溫磨損性能進行深入研究。

金屬間化合物二硅化鉬（MoSi2）具有高的熔點（2030℃）、較好的強度、適中的密度（6.24 g／cm3）、良好的導電性和抗熱振性［5］。作為塊體材料，MoSi2像陶瓷一樣具有較高的硬度和彈性模量，表現出較好的室溫耐磨性能［6－8］。MoSi2與氧化鋁、碳化硅以及氮化硅配對副在700～1100℃下的高溫磨損試驗表明，MoSi2材料具有較好的高溫抗磨性能［9－10］。由于 MoSi2在1000℃以上具有延性，作為涂層材料，這為其緩解熱應力提供了幫助。迄今為止，MoSi2主要是作為不銹鋼、C／C復合材料和難熔金屬及其合金等材料的抗氧化性防護涂層，相關研究主要集中在涂層制備方法和抗氧化性能等方面［11－13］，有關應用于鎳基合金的高溫耐磨MoSi2涂層的研究鮮見報道。本研究選用MoSi2作為K403鎳基合金涂層材料，采用等離子噴涂方法制備了MoSi2涂層，研究了1100℃下MoSi2涂層的高溫摩擦磨損性能。

1 實驗方法

1.1 涂層制備

以自制近球形MoSi2團聚粉末（粒度為30～54μm）為喂料，采用北京航空制造工程研究所生產的APS－2000型大氣等離子噴涂系統在K403鎳基高溫合金（尺寸為φ8mm×18mm）上制備MoSi2涂層。用螺旋測微儀測量試樣噴涂前后直徑的差值，進而計算獲得涂層的厚度，同一個樣品不同部位涂層的厚度基本相同，不同試樣MoSi2涂層厚度均在250±10μm范圍內變化。

1.2 摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗是在XP－5型高溫摩擦磨損試驗機上進行的。上下試樣的接觸方式為銷－盤式，試樣處于滑動摩擦狀態，下盤試樣不動，而上試樣銷在下盤上做圓周運動。試驗機采用數控系統實現其工作參數的控制和試驗結果數據的采集。

待測涂層試樣為上試樣（銷，φ8mm×18mm），與其對磨的下試樣（盤）是99.9%的Al2O3陶瓷材料，硬度為 HRA82.2，尺寸為φ54mm×8mm，表面粗糙度Ra為0.8μm。摩擦磨損試驗的溫度為1100℃，磨損時間為30min。磨損試驗結束后，采用精度為0.1mg的電子天平稱量試驗前后涂層試樣的質量，求出涂層的質量變化。摩擦因數每30s由高溫試驗機上的計算模塊自動給出，摩擦因數和磨損率數據均取3次試驗結果的平均值。稱重前，試樣均用丙酮超聲洗凈并吹干。試驗前后用酒精反復清理試樣，以保證稱量的準確和觀察的清晰。

1.3 涂層組織表征

用D8－Advance型X射線衍射儀對摩擦磨損試樣表面進行物相分析；采用JSM－5610型帶有能譜分析的掃描電鏡（SEM）對摩擦磨損表面進行形貌和成分分析。

2 試驗結果和討論

2.1 涂層組織結構

大氣等離子噴涂制備的MoSi2涂層的衍射結果如圖1所示，主相為MoSi2，存在少量Mo5Si3。圖2a所示為涂層的表面形貌。由圖2a可知，MoSi2顆粒熔化較好，涂層表面形貌呈扁平狀，但還存在極少量未熔化的顆粒。圖2b所示為涂層截面組織形貌。MoSi2二次團聚顆粒在等離子噴涂過程中，經過了加熱、加速、變形和冷卻等過程形成了典型的層狀結構，組織非常致密。

圖1 涂層的X射線衍射圖

圖2 涂層的微觀組織

2.2 K403合金和MoSi2涂層的摩擦因數

圖3所示為K403鎳基合金和MoSi2涂層在溫度為1100℃、載荷為30N條件下與Al2O3摩擦副對磨時摩擦因數隨時間的變化曲線。由圖3可知，K403鎳基合金的摩擦因數隨著滑動距離的延長有降低的趨勢，其摩擦因數主要在0.35～0.5之間變化。對于MoSi2涂層來說，在摩擦的初始階段，摩擦因數隨著滑動距離的增大而快速上升，之后趨于平穩，在平穩階段摩擦因數在0.65附近呈現波動特征，摩擦因數上下波動的幅度越小，表明摩擦過程越穩定。與K403鎳基合金相比，MoSi2涂層的摩擦因數比K403鎳基合金的高。

圖3 K403鎳基合金摩擦因數與滑動距離的關系

2.3 K403合金和MoSi2涂層的磨損率

圖4為K403合金和MoSi2涂層在1100℃、不同載荷條件下與Al2O3配對摩擦副對磨時的磨損率變化圖。由圖4可知K403合金和MoSi2涂層的磨損率均隨著載荷的增大而逐漸減小（圖4）。如載荷為40N時，K403合金和 MoSi2涂層的磨損率分別為 11.2×10－4mm3／（m·N），5.93×10－4mm3／（m·N）。可見，MoSi2涂層的磨損率明顯低于K403合金的磨損率。K403合金高的磨損率主要與K403合金的高溫氧化和磨損脫落有關。由此可知，在K403鎳基合金表面涂覆MoSi2涂層可以提高基體材料的高溫耐磨性能。

圖4 不同載荷下K403合金和MoSi2涂層磨損率

2.4 K403合金的磨損機理

圖5所示為K403高溫鎳基合金在1100℃、30N載荷下的磨損表面形貌。由圖5可見，摩擦磨損后，鎳基合金表面出現了裂紋和剝落區。根據圖5b、圖5c所示的能譜可知，圖5a所示磨損表面黑色區域a為覆蓋在鎳基合金表面的氧化物，白色區域b主要是鎳基合金基體。可見，在1100℃下，K403鎳基合金表面在高溫摩擦磨損過程中發生了較嚴重的氧化，氧化速度較快，被氧化形成具有較好塑性和附著性的NiO層，而且NiO本身是一種高溫固體潤滑劑，隨著時間的延長，氧化物數量逐漸增加并覆蓋材料的表面，導致摩擦因數逐漸變小。氧化層在反復應力的作用下，裂紋慢慢產生并逐漸擴展，最終導致氧化層脫落，出現了大塊剝落坑，使得鎳基合金的磨損率較大。所以，鎳基合金的高溫磨損機理表現為氧化磨損和疲勞斷裂。

圖5 K403高溫鎳基合金磨損后形貌和能譜

2.5 MoSi2涂層的磨損機理

圖6所示為MoSi2涂層在1100℃、40N載荷下磨損后表面衍射圖譜。由圖6可知，MoSi2涂層磨損表面除了 MoSi2和 Mo5Si3主相外，還有Al2O3和SiO2等相。其中 Al2O3來自配對副Al2O3轉移而依附在MoSi2涂層表面，由于試驗在空氣氛圍內進行，所以磨損過程中氧化現象不可避免，SiO2和一部分 Mo5Si3（另一部分來自涂層本身）正是MoSi2高溫氧化的結果。

圖6 MoSi2涂層磨損表面衍射

圖7b所示為 MoSi2涂層1100℃、10N載荷下的表面磨損后的SEM形貌。與摩擦前（圖7a）相比，MoSi2涂層表面局部區域存在一層比較光滑的薄膜，且薄膜顏色分為淺白色1區和淺灰色2區。圖7c、圖7d、圖7e的能譜分析表明：淺白色1區域的主要成分是Al和O元素，還含有少量的Mo、Si元素；淺灰色2區域主要是 Mo和Si元素，還含有少量的Al、O元素；而區域3與磨損前噴涂形態相似，由Mo和Si元素組成，根據其原子比判斷可能是MoSi2。根據以上結果并結合磨損表面衍射結果知道，這層光滑的1、2區域薄膜主要是由MoSi2、Mo5Si3、Al2O3和SiO2涂層組成。Al2O3是在摩擦過程中從對偶件Al2O3轉移過來，在載荷作用下，涂層表面的硅化鉬顆粒與Al2O3形成的混合物經過碾壓作用形成薄膜并黏附在涂層表面。可見，MoSi2涂層在10N載荷下的磨損主要是屬于氧化磨損。

圖8所示為MoSi2涂層在1100℃、40N載荷下的表面磨損后的SEM形貌。MoSi2涂層表面出現了凹凸不平的區域。區域1是磨屑發生研磨作用并黏附在涂層表面所形成的。能譜結果表明，區域1主要是由 MoSi2、Mo5Si3、Al2O3和SiO2涂層組成。載荷為40N時，在周期性的交變應力作用下，涂層表面萌生裂紋，裂紋逐漸擴大且深入涂層內部，使涂層表面產生疲勞斷裂。由于等離子噴涂涂層具有層狀組織特征，而且層與層之間的結合強度相對較弱，涂層表面容易發生脆性斷裂脫落，此時磨損機理表現為疲勞斷裂。涂層表面發生脆性斷裂脫落后露出涂層的新表面，即區域2，該區域的能譜分析結果表明該剝落區未見Al元素存在，說明區域2是磨損后出現的凹坑。可見，較大載荷時涂層的磨損機理表現為氧化磨損和脆性斷裂。

圖7 MoSi2涂層表面磨損形貌和EDS能譜

圖8 MoSi2涂層表面磨損形貌和EDS能譜

3 結論

（1）在1100℃下，與 Al2O3對磨時，MoSi2涂層的摩擦因數比K403鎳基合金的摩擦因數高，K403合金的摩擦因數主要在0.35～0.5范圍內變化，而MoSi2涂層的摩擦因數在0.65左右波動。

（2）在鎳基合金涂覆MoSi2涂層后，較大幅度地提高了鎳基合金耐高溫磨損能力，MoSi2涂層的磨損率約是K403基體材料的0.5倍。

（3）在1100℃下，與Al2O3對磨時，鎳基合金的高溫摩擦磨損機制主要為氧化磨損和疲勞斷裂。載荷較小（10N）時，MoSi2涂層的磨損機制主要表現為氧化磨損；較大載荷（40N）時，MoSi2涂層的磨損機制主要是氧化磨損和疲勞脆性斷裂。

［1］ 胡壯麒，劉麗榮，金濤，等.鎳基單晶高溫合金的發展［J］.航空發動機，2005，31（3）：1－7.

［2］ 李愛蘭，曾燮榕，曹臘梅，等.航空發動機高溫材料的研究現狀［J］.材料導報，2003，17（2）：26－27.

［3］ 李美栓.金屬的高溫腐蝕［M］.北京：冶金工業出版社，2001.

［4］ Bi X F，Xu H B，Gong S K.Investigation of the Failure Mechanism of Thermal Barrier Coating Prepared by Electron Beam Physical Vapor Deposition［J］.Surface Coatings Technology，2000，130（1）：122－127.

［5］ Courtright E L.A Comparison of MoSi2Matrix Composites with Other Silicon－base Composite Systems［J］.Mater.Science Engineering A，1999，A261（1／2）：53－63.

［6］ Zhang H A，Hu X P，Yan J H，et al.Study of Wear Behavior of MoSi2under Water Lubrication［J］.Materials Letters，2005，59（5）：583－587.

［7］ Zhang H A，Hu X P，Yan J H，et al.Dry Sliding Wear Behaviors of La2O3– WSi2– MoSi2Composite Against Alloy Steel［J］.Wear，2006，260（7／8）：903－908.

［8］ 張厚安，陳平，顏建輝，等.La2O3和 WSi2增強 Mo－Si2基復合材料的摩擦磨損性能研究［J］.摩擦學學報，2005，25（3）：230－233.

［9］ 張厚安，唐思文，時存，等.溫度對 MoSi2／Si3N4高溫摩擦磨損行為的影響［J］.中國機械工程，2009，20（21）：2624－2627.

［10］ 張厚安，李鵬南，胡小平，等.不同溫度下 MoSi2的高溫磨損行為研究［J］.中國機械工程，2008，19（19）：2390－2393.

［11］ Fu Q G，Li H J，Li K Z，et al.A MoSi2–SiC–Si／glass Oxidation Protective Coating for Carbon／Carbon Composites［J］.Carbon，2006，44（15）：3361－3364.

［12］ Zhao J，Liu L，Guo Q G，et al.Oxidation Protective Behavior of SiC／Si– MoSi2Coating for Different Graphite Matrix［J］.Materials Letters，2006，60（16）：1964－1967.

［13］ Suzuki R O，Ishikawa M，Ono K.MoSi2Coating on Molybdenum Using Molten Salt［J］.Journal of Alloys and Compounds，2000，306（1／2）：285－291.

Research on Friction and Wear Performance of MoSi2Coating at High Temperature of 1100℃

Hu Xiaoping1，2Yan Jianhui2Huang Zhichu1Zhang Hou’an3
1.Wuhan University of Technology，Wuhan，430070
2.Hunan University of Science and Technology，Xiangtan，Hunan，411201
3.Xiamen University of Technology，Xiamen，Fujian，361024

In order to improve the wear resistance of K403nickel－based alloy at high temperature in air，a molybdenum disilicide coating was prepared on its surface by air plasma spraying.Phase composition，morphology and component of the worn surface were observed by scanning electron microscope（SEM）with energy dispersive spectrometer（EDS）and X－ray.The friction and wear properties of the bare K403alloy and MoSi2coating at 1100℃ were also studied.Results show that the friction factor of K403alloy ranges from 0.35to 0.5and that of MoSi2coating fluctuates around 0.65.The wear rate of MoSi2coating is about half of that of K403alloy.Compared with the bare K403alloy，the wear resistance of substrate was improved after coated MoSi2coating.The wear mechanism of nickel－based alloys is oxidation wear and fatigue fracture.When the load is smaller（10N），the main wear mechanism of MoSi2coating is oxidation.However，the main wear mechanism of MoSi2coating is oxidation and brittle fracture when the load is higher（40N）.

MoSi2coating；nickel－based alloy；tribilogical property at high temperature；wear mechanism

TG148；TH117.1

1004—132X（2010）19—2364—05

2009—12—29

國防基礎科研計劃資助項目（A3720060115）；國家自然科學基金資助項目（50405041）

（編輯 盧湘帆）

胡小平，男，1962年生。武漢理工大學機電工程學院博士研究生，湖南科技大學機電工程學院教授。主要研究方向為測控技術、智能控制技術及材料摩擦磨損性能檢測。發表論文20余篇。顏建輝，男，1973年生。湖南科技大學機電工程學院副教授。黃之初，男，1943年生。武漢理工大學機電工程學院教授、博士研究生導師。張厚安，男，1970年生。廈門理工學院機械系教授、博士研究生導師。