三种热喷涂涂层耐磨性能的研究
分类：喷涂技术
摘要:通过采用平稳加载往复滑动和动态加载冲击划痕2种试验条件，研究了以钴基合金为重点的3种热喷涂涂层的耐磨性，并初步探讨了其磨损机理。结果表明:3种涂层在滑动摩擦过程中的磨损机制为微切削和犁削；在冲击划痕条件下材料流失方式则以凿削和断裂为主。试验结果证实，热喷涂涂层的耐磨性不仅与其宏观硬度有关，还与涂层的塑性、脆性及内聚强度密切相关。
关键词:热喷涂涂层；耐磨性；塑性；脆性；内聚强度
钴基合金以其优良的高温性能及摩擦学性能而在涡轮叶片上获得应用，但因其价格昂贵而促使人们以钴基合金涂层来代替整体合金。随着对航空发动机技术要求的提高，如高性能、高翻修寿命以及高可靠性等，工艺简便、用材广泛、适用于各种基体的热喷涂技术得到迅速发展。从提高耐磨性出发，优选应用于发动机涡轮叶片的涂层，对延长发动机的使用寿命和降低成本具有重要意义。有关热喷涂涂层的应用及耐磨性的研究报道较多[1～4]，但迄今国内对钴基合金涂层耐磨性的研究报道很少，且多以提高涂层宏观硬度的方法来提高涂层耐磨性。本文作者选择宏观硬度大体相当的钴基合金涂层Greatwall-1、X-40以及Cr3C2-NiCr涂层作为研究对象，通过不同的加载方式，研究涂层的塑、脆特性及内聚强度的差别对其耐磨性能的影响。
1 实验部分
1.1 试验材料
以1Cr18Ni9不锈钢为热喷涂的基体材料，片状样品尺寸为45mm×25mm×3mm；采用等离子喷涂方法制备3种涂层，涂层厚度均为0.3mm。在进行摩擦磨损试验前对所有涂层试样进行研磨，使其表面粗糙度Ra均在1μm以下。采用DXT-3型数显硬度计，按HR-15N标准测定涂层的宏观硬度。2种钴基合金和Cr3C2-NiCr涂层粉末原料的化学成分以及各涂层的宏观硬度见表1（略）。
1.2 试验设备与方法
在MT8-002型往复式滑动摩擦磨损试验机上进行平稳加载摩擦磨损试验，对摩销试样为金刚石洛氏硬度压头，锥角120°，顶部曲率半径200μm。试验条件:平均滑动速度0.01m/s，往复距离8.5mm，载荷5N、10N和15N，试验时间1h。用2201型表面形貌仪测量磨痕的截面积并据此计算磨损体积损失，以单位磨损行程下的磨损体积损失评价涂层的耐磨性能。采用扫描电子显微镜(SEM)观察不同载荷下磨痕表面形貌，分析探讨平稳加载条件下涂层的磨损机制和塑、脆性能。
单摆冲击划痕试验可以用来研究材料在冲击加载条件下的摩擦学行为，特别是能够用来考察材料的塑、脆性能[5～7]。试验选定初始摆角为80°，入侵速度为2.1m/s。自由释放摆锤，令安装在摆锤下端的圆锥状硬质合金(YG6)划头在试样表面划出一系列深浅不同的弧形槽。根据划痕前后的摆角差，计算出每次划痕所消耗的能量；根据表面形貌仪和读数显微镜测出的结果计算划痕体积和表面积。
用划痕单位体积及单位面积上所消耗的能量，即比能耗和内聚能来表征涂层的耐冲击磨损性能及层间内聚强度。对各涂层在相同试验参数下的冲击划痕形貌进行SEM对比分析，观察涂层的破坏形貌特征，并讨论其塑、脆性能。
2 结果与讨论
2.1 平稳加载下涂层的耐磨性
在滑动干摩擦试验中，测量3种载荷下各涂层的磨损量(单位磨损行程下的体积损失)，以单位载荷下的磨损量作为磨损率，用其倒数的大小来衡量涂层材料的耐磨性即抗滑动磨损能力。3种涂层的磨损量与载荷的关系如图1（略）所示，各磨损曲线的斜率即该涂层的磨损率。可以看出，在本试验载荷范围内，涂层的磨损率与载荷无关，但宏观硬度相近的3种涂层的耐磨性相差很大。通过计算发现，X-40钴基合金涂层的磨损率最低，约为Greatwall-1钴基合金涂层磨损率的九分之一，而Cr3C2-NiCr涂层的磨损率居于二者之间。X-40涂层、Cr3C2-NiCr涂层、Greatwall-1涂层三者的相对耐磨性为8.9:3.8:1.0。