超音速等離子噴涂鐵基非晶涂層組織結構與摩擦學性能研究

白冰++王海軍++賈國平++劉明

摘 要：采用超音速等離子噴涂技術制備了鐵基非晶合金涂層，采用能譜分析儀對涂層成分進行了分析，用掃描電子顯微鏡對粉末和涂層截面進行了表征，采用摩擦磨損試驗機對涂層在干摩擦條件下和在質量分數為3.5%的NaCl鹽水溶液環境下的摩擦學性能進行了對比分析。結果表明，超音速等離子噴涂技術制備的鐵基非晶涂層結構致密，孔隙率僅為0.65%，且無明顯裂紋和缺陷，其平均顯微硬度能達到約850 HV0.3，涂層的內聚強度為54.4 MP。在干摩擦和鹽水介質下，主要發生的是黏著磨損，摩擦系數小，磨損體積和磨損率也比較小。但在鹽水環境下，涂層的摩擦系數更為穩定，磨損量更小。這說明，鐵基非晶涂層在干摩擦和鹽水腐蝕介質下都保留了較好的耐磨性，且在鹽水條件下，耐磨性更好，對于海洋防腐是一個重要的應用方向。

關鍵詞：鐵基非晶涂層；顯微硬度；孔隙率；干摩擦

中圖分類號：TG174.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.017

機械設備零部件表面的主要失效形式是磨損和腐蝕，每年由磨損和腐蝕直接導致的經濟損失十分巨大。據國外統計，有70%～80%的機械設備是因為零部件表面摩擦磨損而導致損壞報廢。選用較為貴重的耐磨、耐蝕零件作為機械設備的易損零件，雖然可以減小零件的損耗，延長零件的壽命，但此方法將大幅增加工業的生產成本。將熱噴涂技術應用于機械零部件表面的強化及防護中，能夠極大地延長機械的使用壽命。由于涂層的厚度可控，從而能夠再制造因磨損、腐蝕等失效的機械零部件，成功實現了廢物回收利用，降低了原材料和能源的消耗，大幅度降低了企業的生產成本，顯著提高了經濟效益。非晶合金材料具有許多晶態合金材料不具有的優異物理、化學和力學性能，比如強度、硬度高，耐磨、耐蝕性能優異等。但是，傳統方法制備的非晶合金受冷卻速度、尺寸等影響較大，在一定程度上限制了非晶合金的廣泛應用。目前，利用熱噴涂技術制備非晶合金涂層受到了越來越多的學者的關注。與其他非晶合金涂層相比，鐵基非晶合金涂層既保持了優異的耐磨、耐蝕性能，又擁有較高的性價比，適合在表面防護涂層材料領域廣泛應用。

等離子噴涂技術以非轉移弧為熱源加熱加速噴涂粉末，由于等離子噴涂溫度較高，噴涂粒子速度較快，有利于非晶形成。Kobayashi K和Yano S等人采用等離子噴涂技術制備了200 μm左右厚的鐵基非晶合金涂層。研究發現，該涂層的耐磨性顯著高于基體。Cherigui M和FeraounH I等人采用大氣等離子噴涂技術（APS）分別制備了Fe2Si（B）和FeNb涂層。研究發現，采用合適的工藝參數能夠獲得非晶/納米晶涂層。此外，加入B元素有利于提高非晶的形成能力。向興華、穆曉東等人采用等離子噴涂技術制備了0.2～0.25 mm的鐵基非晶合金涂層，研究了該涂層的耐磨、耐蝕性能。結果表明，該涂層主要由非晶相及少量淬火核結晶相組成，與基體結合良好，結合強度在27 MPa左右，且孔隙率較低，氧化物含量較少，硬度較高。韓建軍、高振等人采用等離子噴涂技術在鍋爐管束的受熱表面制備了鐵基非晶涂層。此涂層孔隙率較低，腐蝕電位較高，具有較好的耐蝕性。潘繼崗、樊自拴等人分別采用超音速火焰噴涂和等離子噴涂技術在 0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體表面制備了一層鐵基非晶納米晶涂層和鐵基非晶合金涂層。研究發現，采用等離子噴涂技術制備的涂層不僅具有較高的硬度，而且還在涂層中彌散分布著納米顆粒，使得涂層的耐磨性優于超音速火焰噴涂制備的涂層。

本文以鐵基非晶合金涂層為主要研究對象，采用自主研發的高效能超音速等離子噴涂設備制備，研究涂層的組織結構和性能，對比不同環境對涂層耐磨及耐蝕性能的影響，為鐵基非晶合金涂層在表面工程防護領域的應用和推廣奠定一定的基礎。

1 實驗

1.1 涂層制備

圖1為HEPJet高效能超音速等離子噴涂系統結構。該系統的裝置組成基本上與普通等離子噴涂設備相同，主要組成部分有電源、控制系統、冷卻水循環系統、送氣裝置、送粉裝置、噴槍及其他配套輔助設備。噴涂鐵基非晶粉末采用由北京桑堯技術開發有限公司生產的純鐵基非晶粉末（純度大于或等于99%，粒徑范圍為25～35 μm）。鐵基非晶粉末呈均勻的球形，流動性較好，其微觀形貌如圖2所示。基體材料為調質45#鋼（860～880 ℃淬火，420～440 ℃回火），其硬度約為30 HRC，試樣線切割三維尺寸為10 mm×5 mm×40 mm。利用KQ2200DB型超聲波清洗儀清洗除去基體表面的油污，最后采用24目的棕剛玉進行噴砂處理。噴砂距離約為200 mm，噴射角度為60°～90°。噴砂結束后，停止供砂，并用余氣吹去基體表面殘留的砂粒。需要注意的是，必須在噴砂結束后的2 h內進行噴涂作業。圖3為鐵基非晶涂層粉末的EDS能譜圖。從能譜分析結果可以看到，粉末的主要元素有Mo、Cr、Fe和Co，還含有少量的Si和O元素。超音速等離子噴涂鐵基非晶涂層的最優參數組合為氬氣流量為100 L/min，噴涂功率為55 kW，噴涂距離為90 mm，送粉率為25 g/min。

1.2 表征

采用Quanta 200型掃描電鏡（SEM）對粉末形貌和涂層微觀形貌進行分析，并利用配套的Χ射線能譜儀（EDS）分析涂層微區的化學成分；采用MTS萬能拉伸試驗機對涂層結合輕度進行分析，采用 OLMPUS 三維形貌儀對涂層的磨痕形貌進行表征；采用 OLYMOUS 金相顯微鏡分析涂層的孔隙率，并用上海研潤公司的 HVS-1000 型顯微硬度計測試涂層的顯微硬度；采用美國的CETR 多功能摩擦磨損試驗機，并選用球盤式方法在干摩擦條件下測試涂層的摩擦磨損性能。

2 結果與討論

2.1 涂層組織結構分析

圖4所示為超音速等離子噴涂制備非晶涂層截面。從圖4（a）中可以看到，涂層整體光滑、平整、均勻、致密，且孔隙和雜質較少。經測試，涂層孔隙率低至0.6%，在單位噴涂次數下涂層平均厚度為356.8 μm。從圖4（b）可以看出，黏結界面未見任何粗大孔隙或裂紋，涂層與基體鉚接牢固、可靠，熔融的液滴狀粒子超音速飛行撞擊經粗化的基體表面，迅速鋪展，并在冷卻后與基體產生良好的“機械鉚合”，再經后續超音速態粒子的撞擊夯實作用強化，因而未出現層狀結構和結合界面存在孔隙或裂紋缺陷等。涂層結合強度平均值高達54.4 MPa，高于普通等離子噴涂涂所制備涂層的結合強度。圖5為鐵基非晶涂層的顯微硬度沿深度方向的分布規律。可見，調質45#鋼的顯微硬度約為350 HV0.1，在涂層與基體結合處，顯微硬度明顯增大；在涂層內部，其顯微硬度沿深度方向具有一定的波動，但總體分布在800～870 HV0.3之間，涂層的平均硬度為823 HV0.3。涂層總體顯微硬度明顯高于普通鐵基合金涂層。

2.2 摩擦學性能

圖6為相同滑動摩擦條件下，鐵基非晶涂層在干摩擦條件下和在質量分數為3.5%的NaCl鹽水溶液環境下摩擦因數隨時間的變化情況。從圖6可以看出，在鹽水環境下，鐵基非晶涂層的摩擦因數更低，且更加穩定，隨著載荷的變化，摩擦因數變化很小。這很可能是NaCl鹽水溶液起到了潤滑的作用，避免了涂層和摩擦副之間的直接接觸，減小了摩擦阻力，在一定程度上降低了摩擦產熱的效應。說明，鹽水環境有利于降低涂層的摩擦因數，提升其耐磨性。

圖7為兩種條件下在相同的施加載荷下涂層的磨痕形貌。從圖7（a）（b）中可以看出干摩擦條件下涂層磨痕較寬，而且剝落較為嚴重，并且在磨痕的頭部黏著的痕跡比較明顯，涂層主要以發生黏著磨損為主。對涂層進行線掃描來分析摩擦過程對涂層的影響，可以看到，經過摩擦，與原先的涂層相比，氧元素含量增加。這說明，在摩擦過程中發生了一定的氧化。可能的原因是涂層中的鐵元素與空氣中的氧氣發生了反應。圖7（c）（d）是在鹽水介質下涂層的表面磨痕的SEM照片。對比以上干摩擦條件下基體及涂層的磨痕形貌可以看到，在鹽水條件下，涂層表現出了很好的耐磨性，磨痕寬度是這三者中最小的，磨痕的頭部和尾部也幾乎沒有出現裂紋，對涂層基體的損傷最小。從圖7（e）可以看到，在摩擦磨損實驗后，磨痕旁邊區域出現了一定含量的氯離子。這說明，在磨損過程中，氯離子被加速滲透到了鐵基非晶涂層中，可能發生的化學反應是2Al+3H2O→2Al（OH）3+3H2.摩擦中不斷產生熱量，加快了反應的速度。圖8是磨痕的3D形貌。對比可以得出，鹽水條件下涂層的磨痕深度比干摩擦條件下淺，而且磨痕寬度較窄。表1為兩種條件下涂層的磨損體積和磨損率。可以發現，在鹽水環境下，涂層磨損量最小，磨損率最低。