鎳基涂層性能研究及其在汽車領域的應用

徐文文，韓冰源，杜 偉，楚佳杰，高祥涵，吳 成

（江蘇理工學院 汽車與交通工程學院，江蘇 常州 213001）

為響應國家“輕量化”號召，緩解目前世界各國所面臨的資源短缺問題，各領域紛紛投入到節能減排的工作中[1]。在汽車領域，發動機各部件多采用輕質鋁合金材料，它不僅能提供更大的動能，而且能減少汽車的尾氣排放[2-3]。然而，鋁合金材料硬度較低，在實際應用中易發生磨損，因此，考慮在其表面制備鎳基涂層以增加使用壽命。

目前，在汽車發動機材料中，鎳基高溫合金材料約占40%[4]。Ni60鎳基合金粉末由于綜合性能良好、硬度較高、耐磨耐腐蝕性較好，能夠適應長時間高溫下的工作，因此，在工業、航空航天等領域得到了廣泛應用[5]。在Ni60粉末的基礎上添加Cu、Mo元素，能增強涂層硬度、結合強度和耐高溫性能，如Ni60CuMo可以更廣泛地應用于閥門、活塞、氣門等易磨損零件的預防性保護和修復工作。

制備涂層的方法很多，熱噴涂技術是目前在工業生產、航空航天、醫藥科學等領域應用最廣泛的表面工程技術之一，其中，等離子噴涂技術能夠準確控制涂層厚度，適用于多種工況[6-8]。等離子噴涂技術利用等離子弧產生足夠的溫度，從而能夠將噴涂粉末加熱至融熔或半熔融狀態后高速噴射到基體表面沉積形成涂層。涂層具備成本低、工藝簡單及附加值高等優點，且等離子噴涂制備的涂層具有較高的結合強度和硬度[9]。曹玉霞等人[10]采用等離子噴涂技術制備NiCr/Cr3C2復合涂層，結果顯示，涂層呈現典型的層狀結構，結合強度和顯微硬度均呈現較高水平。張晶晶等人[11]采用等離子噴涂技術在鎳基高溫合金上制備氧化鋯涂層，并對涂層進行高溫氧化腐蝕測試，結果表明，涂層在經過高溫氧化后，表面組織結構依然穩定，涂層與基體之間能夠保持良好結合。本文以等離子噴涂Ni60CuMo涂層開展實驗并進行相關性能分析，以期為后續研究提供參考。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

噴涂試驗采用的粉末為Ni60CuMo粉末，其主要化學成分如表1所示。采用電子掃描顯微鏡對其進行觀察，得到粉末的微觀形貌圖和選區EDS圖譜如圖1所示。由圖1（a）微觀形貌可見，粉末大多呈正圓形，球形良好，粒徑分布在46～155μm，表面光滑，在噴涂過程中能夠保持較好的流動性，不易堵塞噴槍孔道且易控制送粉量。由圖1（b）選區EDS圖譜可見，圖中各元素與粉末出廠時各元素的分布規律相似，且未發現明顯氧元素存在，說明噴涂層表面質量較高。

表1 Ni60CuMo粉末主要成分及質量分數

圖1 Ni60CuMo粉末微觀形貌及選區EDS圖譜

試樣基體選擇汽車發動機活塞常用的ZL109鋁合金，制成的試樣尺寸為Φ25.4×5 mm，宏觀圖如圖2所示?；w表面光滑平整，有金屬光澤。噴涂前用砂紙打磨試樣表面以去除油污、氧化物，再用丙酮進行清洗。采用北京礦冶研究院的美科等離子噴涂設備在試樣上進行Ni60CuMo涂層的制備，噴涂工作主氣選擇Ar氣，輔氣選擇H2，噴涂參數為：噴涂電流400 A；噴涂距離140 mm；噴涂功率40 kW；送粉速率32 g?min-1；主氣流量60 L?min-1；輔氣流量5 L?min-1。噴涂主要參數如表2所示。

1.2 試驗方法

等離子噴涂涂層多為層狀結構，涂層的形成過程決定了涂層的結構，本文采用電子掃描電鏡（SEM）對噴涂層進行微觀組織觀察，分析涂層表面、截面微觀形貌。當融熔或半融熔粒子沉積到基體上相互擠壓、堆疊，會導致涂層中存在一定量的孔隙；因此，實驗中有必要采用圖像分析軟件Image J分析涂層孔隙率。

涂層的顯微硬度與工件的使用壽命、耐磨強度等息息相關，測試中選擇HVS-1000A維氏硬度儀，利用顯微硬度計上的金剛石壓頭，對涂層試樣表面選擇5處位置（距離依次相同）進行打點測量，點與點之間的距離至少為壓痕對角線的3倍，施加載荷為100 g，加載時間5 s，載荷保持15 s。

涂層的結合強度主要測試涂層在承受拉伸應力時的強度，測試中使用電子萬能試驗機采用拉伸測試法，將試樣有涂層A面和無涂層B面分別使用粘結劑粘貼在拉伸棒上，再放入試驗機進行拉伸測試，電腦所記錄的拉斷時的載荷即為涂層的結合強度。

2 結果與分析

2.1 涂層外觀

Ni60CuMo涂層外觀如圖3所示。涂層呈現淺灰色，表面均勻一致，有較明顯的顆粒感，無過燒導致的變色；肉眼可見連續致密，無裂紋、剝落等微缺陷，噴涂效果較好，可以作為試驗試樣。

表2 噴涂固定參數

圖2 試樣基體宏觀圖

圖3 涂層表面宏觀圖

2.2 涂層微觀組織

放大200倍下的涂層表面、截面如圖4所示。由圖4（a）表面微觀結構可見，涂層鋪展良好，但依然存在部分半融熔狀態的顆粒。圖4（b）涂層截面微觀結構顯示：上部黑色帶有光亮部分為鑲嵌粉，中間淺灰色部分為涂層，下部深灰色部分為基體，涂層與基體結合緊密，界限明顯，界面邊緣光滑平整，基體和涂層之間是典型的機械結合；涂層厚度均勻，靠近涂層上部存在部分孔洞缺陷；涂層內部無分層現象，無明顯裂紋，雖存在部分孔洞，但涂層孔隙率不超過5%，整體致密。

圖4 涂層表面、截面微觀結構

2.3 顯微硬度

在試樣和基體截面顯微硬度測試打點示意圖如圖5所示，打點處從左至右分別記為點1、2、3、4、5，得到的基體和涂層硬度值如圖6所示。圖6顯示，涂層的顯微硬度值明顯高于基體，計算得到基體的平均硬度為134.88 HV，涂層的平均硬度為745.71 HV，是基體的5.5倍。涂層中各點的顯微硬度分布不均，未呈現明顯的規律，究其原因，可能是由于Ni60CuMo涂層中存在硬度相差較大的Cr、Ni相。

圖5 顯微硬度測試打點示意圖

2.4 結合強度

2.4.1 噴涂涂層結合強度分析

拉伸試驗機記錄試樣在拉斷時的最大載荷結果如表3所示。2號試樣斷面和截面微觀組織如圖7所示。由圖7（a）可見，試樣斷裂形式為層間斷裂，說明涂層之間的結合強度小于粘結劑結合強度。圖7（b）顯示，從上至下分別是鑲樣粉、涂層、粘結劑和基體，與圖4（b）對比可以發現，涂層的厚度相較于拉伸前顯著減小。在參與拉伸試驗的三組試樣中，2號試樣的結合強度值最低，究其原因在于涂層中存在部分半熔顆粒，導致噴涂涂層內部孔隙、孔洞等微缺陷較多，使涂層結構疏松，從而造成基體與涂層的結合力較弱。

圖6 涂層顯微硬度

表3 涂層拉伸試樣結果

2.4.2 噴涂距離對涂層結合強度的影響

結合強度能夠用來表征和評價涂層和基體之間的結合力，良好的結合強度能有效延緩涂層剝落，增加零件的使用壽命。為了探究不同噴涂距離下涂層結合強度的變化情況，在保持其他參數不變的前提下，分別選擇噴涂距離為120 mm、130 mm和140 mm噴涂鎳基涂層，所得到的平均結合強度如表4所示。

表4 不同噴涂距離下平均結合強度值

根據表4，當噴涂距離從120 mm增大至140 mm時，涂層平均結合強度并非呈現單調增長的趨勢，而是先增大后減小，這一結果與涂層的結合性能和粉末粒子的熔融狀態有關。表4結果顯示：適當的噴涂距離能夠提供恰當的焰流溫度，從而使射流中的粉末顆粒能充分達到熔融狀態，在沉積到基體時具有良好的粘結作用，使獲得的涂層具有較高的穩定性；而當噴涂距離較大或較小時，粉末顆粒融化不充分，與熔融粒子碰撞形成孔隙，從而降低涂層與基體之間的結合力。

3 Ni60CuMo涂層在汽車發動機中的應用

當前，汽車工業領域正朝著高性能、低能耗、重環保的方向發展，這就對發動機的材料、使用壽命等提出了更高的要求。氣缸體、活塞等作為處于極端苛刻條件下工作的發動機核心部件，由于長期承受高負荷和強摩擦，極易發生磨損、斷裂等失效問題；因此，為提升發動機服役壽命，研究人員開發出新型鎳基高溫合金涂層，對其進行再制造修復及生產。

活塞是汽車發動機中必不可少的核心要件，其中，第一道活塞環工作時溫度可達250℃，采用Ni60CuMo涂層的活塞環將大幅度延長使用壽命；發動機中的氣缸體、氣缸蓋等易磨損部件也采用了Ni60CuMo涂層，當發動機發生損傷需要再制造時，只需去除舊涂層重新噴涂即可。可見，相較于更換新品，采用Ni60CuMo涂層能夠大大降低生產成本，減少環境污染。

4 結論

本文采用等離子噴涂在ZL109基體上制備了Ni60CuMo鎳基涂層，并進行涂層外觀、顯微組織、硬度和結合強度的測試分析。結論如下：

（1）采用等離子噴涂制備的Ni60CuMo涂層組織致密，電子掃描顯微鏡下涂層截面鋪展均勻，無肉眼可見孔隙。

（2）Ni60CuMo涂層顯微硬度較高，維氏硬度平均值為745.71 HV，相較于基體，涂層硬度有了大幅度的提高。

（3）Ni60CuMo涂層可以廣泛應用于汽車發動機活塞、氣缸等易損傷關鍵件，能有效提升零件使用壽命，降低生產成本，從而避免了資源浪費。