6061-T6鋁合金電弧噴涂Ni-Al涂層摩擦磨損性能研究①

王吉孝，王黎，馬李，莫才頌

(廣東石油化工學院 機電工程學院，廣東 茂名 525000)

艦載機偏流板涂層要求在干態(tài)、水態(tài)和油態(tài)條件下具有很好的防滑性能，以此保證飛機和重型設備在惡劣海洋狀況下不滑動[1]。為延長使用壽命，要求磨損后涂層仍保持高摩擦系數(shù)[2]。樹脂基涂層雖在美、英海軍艦載飛機甲板上有廣泛應用，但該類涂層還存在不足：耐磨性能僅為金屬基涂層的1/5以下；樹脂基涂層摩擦系數(shù)在兩年內，摩擦系數(shù)由1.4降到0.8，而金屬基涂層摩擦系數(shù)可穩(wěn)定在0.9以上；同時樹脂基涂層易老化，高溫時揮發(fā)有毒氣體，但金屬基涂層沒這些缺點[3]。20世紀60年代, 金屬基防滑涂層就已應用到艦載機偏流板。采用熱噴涂技術在CVA-59號航母偏流板上制備鋁酸鎳防滑涂層[4]。該板經(jīng)受大量飛機的燃氣噴射氣流，只有很少點蝕[5]。將鋁酸鎳防滑涂層用于CVA-63號航母1#偏流板, 經(jīng)10個月使用性能完好[6]。現(xiàn)在金屬基防滑涂層多采用鋁基防滑涂層。國內對防滑涂層的研究較少，裝甲兵工程學院研制了一種鋁基氧化鋁粉芯絲材，該涂層摩擦系數(shù)為0.7～0.9，純鋁涂層摩擦系數(shù)為0.4左右[7]。國內也有一些采用噴涂方法制備耐磨涂層的研究[8-10]，但對于偏流板防滑涂層鮮有報道。基于此，本文采用雙絲電弧噴涂技術在6061-T6鋁合金上制備Ni-Al復合涂層，對其摩擦磨損性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

基體材料為6061-T6鋁合金。噴涂絲材為美國的PRAXAIR公司生產(chǎn)，直徑1.6 mm，化學成分見表1。

表1 噴涂絲材的化學成分及質量分數(shù) %

1.2 實驗儀器

噴涂設備采用美國PRAXAIR公司生產(chǎn)的9935型雙絲電弧噴涂系統(tǒng)。空氣壓縮機為阿特拉斯公司生產(chǎn)，型號為GA30FF，帶冷干機，最大可提供1.0 MPa的壓力。噴砂設備型號為6090A，射吸式。摩擦系數(shù)使用傾角測量儀測量，角度精度為±0.1°，測量精度為±0.01。采用濟南泰思特公司生產(chǎn)的MMW-1A型立式萬能磨損試驗機測試涂層的滑動摩擦系數(shù)。磨損實驗使用阻攔索磨損模擬試驗裝置。并采用型號為HELIOS NANOLAB 600i的掃描電子顯微鏡觀察磨損試驗后涂層的表面磨損形貌。

1.3 Ni-Al復合涂層制備

采用雙絲電弧噴涂方法制備兩種復合涂層，打底層都是Ni-5%Al，面層分別是Ni-5%Al和Ni-20%Al。分別記為A涂層和B涂層，研究兩種涂層的摩擦系數(shù)，優(yōu)化比較。涂層工藝參數(shù)見表2。

表2 雙絲電弧噴涂工藝參數(shù)

1.4 測試方法

摩擦系數(shù)測量參考美國軍標MIL-PRF-24667C-4.5.1。試樣尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，制備涂層。分別對A、B涂層測量干態(tài)、水態(tài)及油態(tài)的50循環(huán)和500循環(huán)的靜摩擦系數(shù)。使用丙烯酸類樹脂給涂層封孔，再分別測封孔后涂層的靜摩擦系數(shù)。每種測量的試樣數(shù)量均是4個。滑塊主體是一個輪廓尺寸為145 mm×100 mm×22 mm的鋼塊，沿底面一端100 mm邊制作半徑19 mm的倒角。將100 mm寬和3 mm厚的硫化氯丁橡膠片(邵氏硬度57±2)粘在底面，并向上包住倒角弧面。滑塊總重(鋼塊+橡膠片)為(2.7±0.2)kg。測試時滑塊和涂層表面之間的相對運動方向需要頻繁地在縱橫兩個方向切換。

摩擦磨損試驗參考美國軍標MIL-PRF-24667C-4.5.4，試驗采用接觸式往復滑動，試樣尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，摩擦副為Φ3 mm的冷軋ASTM A229 Class 2彈簧鋼絲(硬度HV100g430)，法向壓力為133.28 N，往復位移幅值為225 mm，滑動速度為25 mm/s，試驗溫度為室溫。磨損試驗過程不允許鋼絲產(chǎn)生扭曲、彎曲和轉動。采用分度值為0.01 g的PB1502-S精密天平稱量磨損失重。涂層磨損值(%) = 100×(M2-M3) /(M2-M1)，涂層磨損值應低于10%。其中M1為基體質量，M2為磨損50個循環(huán)后涂層與基體質量，M3為500個循環(huán)后的質量。質量稱量精確到0.5 g。

2 結果與討論

2.1 涂層靜摩擦系數(shù)

表3和表4分別是A涂層和B涂層封孔前靜摩擦系數(shù)測量結果，表5和表6分別是A涂層和B涂層封孔后靜摩擦系數(shù)測量結果。表中的要求值是參考技術指標規(guī)定值。可以看出，A涂層封孔前50循環(huán)和500循環(huán)，水態(tài)、干態(tài)和油態(tài)三個試樣的靜摩擦系數(shù)最小值依次降低，而封孔后50循環(huán)和500循環(huán)的靜摩擦系數(shù)，干態(tài)、水態(tài)和油態(tài)三個試樣的靜摩擦系數(shù)最小值依次降低。封孔前后三種狀態(tài)最小值依次降低順序不同。表3中，A涂層50循環(huán)的干態(tài)靜摩擦系數(shù)為0.91，不滿足最小值≥0.95的要求，500循環(huán)的靜摩擦系數(shù)都滿足要求。表4中，B涂層50循環(huán)和500循環(huán)的靜摩擦系數(shù)最小值都滿足要求值。

表3 A涂層封孔前靜摩擦系數(shù)測試結果

表4 B涂層封孔前靜摩擦系數(shù)測試結果

由表5可見，A涂層50循環(huán)干態(tài)和油態(tài)最小值都低于要求值，500循環(huán)干態(tài)和水態(tài)最小值都低于要求值，因此不滿足要求。表6顯示，B涂層滿足技術指標要求。封孔工藝對A涂層靜摩擦系數(shù)整體性能有一定影響，但是對B涂層影響程度不大。只是在500循環(huán)磨損后，B涂層干態(tài)靜摩擦系數(shù)從0.95下降到了0.91，下降程度偏大。但是封孔后，B涂層仍能滿足技術要求，而A涂層部分指標低于技術要求。通過封孔前后靜摩擦系數(shù)的對比，B涂層體現(xiàn)了比A涂層更優(yōu)異的性能。在摩擦初始階段，隨著循環(huán)次數(shù)增加，摩擦系數(shù)下降，由于接觸峰頂相互間發(fā)生磨損和塑性變形，引起摩擦副接觸表面相互粘貼在一起，摩擦系數(shù)進一步降低。隨著磨損循環(huán)次數(shù)增加，接觸面積增大，磨損率降低，摩擦系數(shù)緩慢下降。

表5 A涂層封孔后靜摩擦系數(shù)測試結果

表6 B涂層封孔后靜摩擦系數(shù)測試結果

許多磨損粒子在這一過程中產(chǎn)生，磨損粒子作為三體磨損參與其中，經(jīng)過塑性變形后的磨屑硬質顆粒對涂層有犁溝效應，由于Ni-20%Al涂層硬度較高，而且耐磨性好，隨著磨損進行，表面形貌變化非常微小，此時摩擦系數(shù)變化浮動也很小，最后將會進入相對比較平穩(wěn)的階段。整個磨損過程中涂層磨損后的濕態(tài)摩擦系數(shù)變化較小。與干態(tài)相比，摩擦系數(shù)并沒有由于水介質的存在而顯著降低，而是摩擦系數(shù)有所提高。也就是說，水的存在使滑動變得更加困難。水的存在將會產(chǎn)生兩種作用，一是在涂層上形成水膜，起到潤滑作用；二是在滑動面間有水存在時，滑塊上的橡膠在受壓后擠出與涂層之間的空氣形成負壓吸附，這增加了滑動的困難性。由于水的黏度很小，潤滑作用遠不及負壓吸附作用。所以涂層干態(tài)摩擦系數(shù)一般低于濕態(tài)摩擦系數(shù)。此外，在濕態(tài)時由于負壓吸附起主導作用，因此涂層表面的狀態(tài)對摩擦系數(shù)影響不是主要因素，在整個磨損過程中，Ni-20%Al涂層濕態(tài)摩擦系數(shù)浮動不大，并趨于一致[11]。

2.2 涂層滑動摩擦系數(shù)

對A涂層和B涂層分別進行50個循環(huán)磨損后干態(tài)、水態(tài)及油態(tài)滑動摩擦系數(shù)測試，每種狀態(tài)測量都選4個試樣，滑動摩擦系數(shù)取平均值，測量結果見表7，表中的靜摩擦系數(shù)是封孔前50個循環(huán)的靜摩擦系數(shù)最低值。由表7知，在干態(tài)滑動摩擦試驗條件下，A、B兩種涂層的滑動摩擦系數(shù)相比靜摩擦系數(shù)均有下降，且A涂層下降幅度比B的大。水潤濕條件下，A涂層和B涂層的滑動摩擦系數(shù)與干態(tài)滑動摩擦系數(shù)相比變化不大，為0.81和0.90；而油潤濕滑動摩擦系數(shù)出現(xiàn)了下降，均為0.62。可見，摩擦介質影響著滑動摩擦系數(shù)。綜合比較，相同摩擦副和摩擦介質條件下，滑動摩擦系數(shù)要小于靜摩擦系數(shù)。B涂層的干態(tài)、水潤濕條件下的滑動摩擦系數(shù)優(yōu)于A涂層，在油潤滑條件下，兩種涂層滑動摩擦系數(shù)相差不大。

表7 A涂層和B涂層三種狀態(tài)下的滑動摩擦系數(shù)測量結果

2.3 涂層耐磨性

對A和B兩種涂層的耐磨性進行檢測，表8為測量結果，其中A、B涂層試樣各分為4組。磨損計算公式為涂層磨損值(%)=100×(M2-M3)/(M2-M1)。A涂層最大值為6.58%，平均值為4.18%。B涂層最大值為4.37%，平均值為1.78%。兩種涂層磨損最大值都滿足要求(小于10%)。根據(jù)涂層磨損值公式，磨損值越大，表明M2與M3的差值相比M2與M1的差值越大，失重越大，耐磨性越差，可見B涂層磨損后的失重平均值小于A涂層，因此B涂層耐磨性較好，這主要歸因于涂層的相結構。面層Ni-20%Al涂層含有NiAl和Ni3Al金屬間化合物，因此具有較高的硬度及較好的耐磨性。綜上表明，采用Ni-20%Al作為面層時的耐磨性優(yōu)于采用Ni-5%Al作為面層時的耐磨性能。

表8 A涂層和B涂層耐磨性測試數(shù)據(jù)結果

2.4 涂層磨損形貌

從磨損形貌中可知，在磨損初期，涂層表現(xiàn)一定程度的黏著磨損。當磨損50個循環(huán)時，涂層的黏著磨損較輕。磨損到300個循環(huán)時，Ni-Al涂層發(fā)生進一步磨損，不過形貌變化不大。進行到最后階段，Ni-Al涂層磨損表面形貌依舊沒有明顯變化。

2.5 涂層磨損機理

摩擦副的兩個表面之間發(fā)生直接接觸時，微觀接觸面積的總和構成真實的接觸面。在微觀接觸面范圍內將形成較大的機械應力，摩擦副的切向相對運動使這些應力進一步強化。因此受到負荷作用的粗糙面凸峰發(fā)生彈塑性變形。涂層表面的吸附層和反應層會遭到破壞，它不一定發(fā)生在原始接觸處，可能發(fā)生在摩擦副表面層邊緣位置，這使摩擦副上的材料轉移到另一方的摩擦副上，同時將會產(chǎn)生一些松脫磨粒。

對冷軋鋼絲和Ni-20%Al涂層這對摩擦副，由于涂層中含有Ni3Al和NiAl相，冷軋鋼絲高于涂層的顯微硬度，因此發(fā)生黏著磨損。由于塑性材料抗黏著磨損能力不如脆性材料，塑性材料形成黏著結點的主要破壞形式是塑性流動，它在距離表面一定深度位置發(fā)生。由于脆性材料損傷的深度比較淺，磨屑容易脫落，從而不容易堆積在表面上。

根據(jù)強度理論，引起脆性材料破壞的主要原因是正應力，而引起塑性材料破壞的主要原因是切應力。在磨損過程中，表面接觸的最大正應力是在摩擦副表面位置產(chǎn)生，在距離表面一定深度形成最大切應力，因此隨著塑性增加，材料黏著性變得越嚴重。在室溫下NiAl和Ni3Al金屬間化合物塑性較低，按脆性材料分析，Ni-Al涂層磨屑細小，且磨損量小，不易堆積，所以磨損后期很難形成大顆粒微觀切削。Ni-20%Al涂層在整個磨損過程中，磨損形貌變化較小，表現(xiàn)為黏著磨損，因此該涂層具有較高耐磨性[12,13]。

3 結論

(1)A(Ni-5%Al//Ni-5%Al)、B(Ni-5%Al//Ni-20%Al)兩種涂層的干態(tài)、水態(tài)和油態(tài)靜摩擦系數(shù)結果顯示，隨著磨損循環(huán)次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)降低。綜合比較，B涂層封孔前后的各項靜摩擦系數(shù)優(yōu)于A涂層，都滿足技術指標要求。

(2)相同摩擦副和摩擦介質條件下，滑動摩擦系數(shù)小于靜摩擦系數(shù)。B涂層的干態(tài)、水潤濕條件下的滑動摩擦系數(shù)優(yōu)于A涂層，在油潤滑條件下，兩種涂層的滑動摩擦系數(shù)相差不大。

(3)B涂層的耐磨性優(yōu)于A涂層的耐磨性。Ni-20%Al涂層表現(xiàn)出較好的耐磨性，在整個磨損過程中，涂層始終表現(xiàn)為黏著磨損。隨磨損進行，涂層的干態(tài)靜摩擦系數(shù)一直下降，直至最后進入穩(wěn)態(tài)階段，濕態(tài)靜摩擦系數(shù)變化浮動較小。