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        高速電弧噴涂FeCrBSiMnNbW非晶納米晶涂層組織及性能

        2012-10-08 07:28:18梁秀兵王林磊陳永雄張志彬
        關(guān)鍵詞:非晶鎂合金電弧

        梁秀兵,王林磊,陳永雄,張志彬,4,郭 偉

        (1.裝甲兵工程學(xué)院科研部,北京100072;2.機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心,北京100072;3.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100072;4.北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,北京100142)

        Fe基非晶納米晶合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能、磁學(xué)性能、耐腐蝕和耐磨損性能等,而其主要的原材料價(jià)廉易得,使它成為發(fā)展最快的非晶合金之一[1]。但由于傳統(tǒng)的非晶合金材料制備工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴、厚成形能力差等,限制了非晶納米晶合金的應(yīng)用與發(fā)展。采用電弧噴涂技術(shù)制備Fe基非晶納米晶合金涂層是近年來(lái)非晶納米晶涂層制備研究的新進(jìn)展,廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件的維修與再制造、電站重磨蝕件的防護(hù)等領(lǐng)域[2-4]。

        近年來(lái),隨著裝備的輕量化和高強(qiáng)度化,鎂合金等輕質(zhì)合金的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但因其活性高,耐磨、耐腐蝕性能差,限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。研究[5]表明:采用高速電弧噴涂技術(shù)在鎂合金表面制備防護(hù)涂層是一種高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的防護(hù)途徑。電弧噴涂過(guò)程中涂層和基體的表面溫度一般低于300℃,可以克服其他熱噴涂使鎂合金基體表面產(chǎn)生的高溫氧化、燒損等問(wèn)題。因此,探索采用電弧噴涂技術(shù)在鎂合金基體上制備優(yōu)異耐磨防腐涂層具有非常重要的意義。課題組前期利用高速電弧噴涂技術(shù)成功制備了FeBSiNb和FeCrBSi系高性能非晶納米晶涂層。研究[6-7]表明:非晶納米晶涂層組織均勻,結(jié)構(gòu)致密,非晶相含量、硬度高,耐磨損性能好,是一類新型的耐磨合金涂層。為此,筆者采用自動(dòng)化高速電弧噴涂技術(shù)噴涂自主研發(fā)的鐵基粉芯絲材,在AZ91鎂合金基體上制備出具有優(yōu)異耐磨性能的FeCrBSiMnNbW非晶納米晶合金涂層,并對(duì)涂層的組織和性能進(jìn)行了研究。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        選取自主設(shè)計(jì)研制的直徑為2 mm的FeCrBSiMnNbW粉芯絲材作為噴涂材料,粉芯絲材的外皮為1Cr17鐵素體不銹鋼帶;粉芯由傳統(tǒng)的合金粉末,如硼鐵、硅鐵等組成,采用多輥連續(xù)軋制和多道連續(xù)拔絲減徑的方法制得。選用3Cr13不銹鋼絲材作為對(duì)比材料,進(jìn)行噴涂試驗(yàn)?;倪x用AZ91鎂合金,噴涂前進(jìn)行除油、清洗、噴砂等預(yù)處理。采用裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的自動(dòng)化高速電弧噴涂系統(tǒng)制備涂層,噴涂工藝參數(shù):噴涂電壓為36 V;噴涂電流為180 A;空氣壓力為0.7 MPa;噴涂距離為200 mm。相同工藝參數(shù)下噴涂3Cr13不銹鋼涂層作為對(duì)比。

        采用Philips Quanta 200型掃描電子顯微鏡及日立H800型透射電鏡對(duì)涂層的微觀形貌、組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,采用島津DIFFRACTOMETER-6000型X射線衍射儀對(duì)涂層進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析。采用HXD-1000TM/LCD數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層表面的維氏硬度值,載荷1.96 N,加載時(shí)間15 s,隨機(jī)選取表面5個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試前對(duì)涂層表面進(jìn)行研磨、拋光、超聲清洗等。參照 GB 9796-88在 WDWE100D電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。使用UMT-2型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層材料的耐磨損性能,潤(rùn)滑油選用CD15W/40長(zhǎng)城潤(rùn)滑油,對(duì)偶摩擦副選用直徑為4 mm的Si3N4陶瓷球(硬度24.5 GPa)。試驗(yàn)前涂層表面需要進(jìn)行研磨、拋光、清洗處理。采用OLS400型3D激光掃描顯微鏡對(duì)涂層材料的磨損量進(jìn)行觀測(cè)計(jì)算。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 涂層的顯微組織

        圖1為FeCrBSiMnNbW非晶納米晶涂層的XRD圖譜。從圖1可以看出:在2θ=44.5°的地方有一個(gè)漫散射峰,這是典型的非晶態(tài)的XRD圖譜,證實(shí)了噴涂過(guò)程中形成了非晶相。圖譜中還存在強(qiáng)度較低的晶化峰,說(shuō)明在沉積過(guò)程中形成了少量的晶體相,經(jīng)分析主要為α-Fe(Cr)。此外,圖譜中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氧化物峰,說(shuō)明涂層在沉積過(guò)程中很少發(fā)生氧化。

        圖1 FeCrBSiMnNbW非晶納米晶涂層X(jué)RD圖譜

        圖2 2種涂層表面SEM形貌

        圖2為FeCrBSiMnNbW非晶納米晶涂層和3Cr13涂層表面SEM形貌。圖2(a)是Fe基非晶納米晶涂層的表面形貌,可以看出:涂層呈層狀結(jié)構(gòu),粒子鋪展良好,而且粒子表面非常干凈,說(shuō)明合金體系具有良好的潤(rùn)濕性能,凈化作用也非常明顯。這是因?yàn)樗O(shè)計(jì)的合金體系中添加了特定比例的B/Si元素,使得合金系的脫氧、凈化作用顯著。噴涂過(guò)程中,熔滴與基體高速碰撞,呈扁平狀鋪展;然后相互搭接、堆積,形成涂層。變形良好的扁平狀粒子在相互搭接、堆積過(guò)程中也降低了涂層的孔隙率,提高了其致密度。利用圖像分析軟件測(cè)試非晶納米晶涂層的平均孔隙率為1.8%。微區(qū)EDS分析其化學(xué)組成為Fe、Cr、B、Si、Nb、Mn、W,其原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為64.31%、9.22%、18.71%、4.62%、1.16%、1.43%、0.55%。

        與Fe基非晶納米晶涂層相比,3Cr13涂層組織形貌顯得粗糙,雜亂堆錯(cuò),如圖2(b)所示。經(jīng)掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn):3Cr13涂層的致密度比較低,孔隙率較高,約為4%。此外EDS分析涂層中氧含量比較高,質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為17%,也遠(yuǎn)高于Fe基非晶納米晶涂層中2%氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

        圖3為Fe基非晶納米晶涂層的TEM分析結(jié)果。衍射花樣由中心較寬的暈及漫散的環(huán)組成,這是非晶態(tài)的典型特征,說(shuō)明涂層在形成過(guò)程中形成非晶區(qū)域。同時(shí)在漫散的非晶衍射環(huán)上還分布著一系列小的多晶衍射斑點(diǎn),經(jīng)標(biāo)定主要是體心立方結(jié)構(gòu)的α-Fe(Cr)相;此外,非晶母相上分布的顆粒中還夾雜著一些白色和黑色的小顆粒,經(jīng)標(biāo)定分別為α-Fe和α-Fe19Mn。相應(yīng)區(qū)域的微區(qū)電子衍射圖也可以說(shuō)明這部分涂層是非晶和多晶混合涂層,納米晶鑲嵌于殘余的非晶相中,并均勻分布在非晶相基體上,其尺寸分布為30~80 nm。

        CrBSiMnNbW非晶納米晶涂層TEM表征結(jié)果

        2.2 涂層的常規(guī)力學(xué)性能

        涂層顯微硬度測(cè)試結(jié)果如表1所示,為2種涂層表面的維氏硬度值。Fe基非晶納米晶體涂層的平均維氏硬度為HV0.2=866.7,約為3Cr13涂層的2倍。表2為涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試,可以看出:Fe基非晶納米晶涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度值高于3Cr13涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度值。這主要是由于非晶納米晶涂層組織得到改善,使得其具有良好的潤(rùn)濕性,而且涂層組織均勻、致密,氧含量低,進(jìn)一步提高了涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度。

        表1 涂層顯微硬度測(cè)試結(jié)果

        表2 涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試值

        2.3 涂層的耐磨損性能

        FeCrBSiMnNbW涂層和3Cr13涂層材料在載荷為10 N、速度為300 r/min、油潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)曲線如圖4所示??梢?jiàn):Fe基非晶納米晶涂層材料的摩擦因數(shù)較低。涂層在油潤(rùn)滑條件下具有較低的摩擦因數(shù)與涂層的微觀組織特性相關(guān),涂層在沉積過(guò)程中存在的微孔隙具有儲(chǔ)油功能,可改善摩擦副之間的潤(rùn)滑條件。

        圖4 FeCrBSiMnNbW涂層和3Cr13涂層的摩擦因數(shù)

        圖5 2種涂層的磨損量隨時(shí)間變化情況

        圖5是Fe基非晶納米晶涂層和3Cr13涂層材料在載荷為10 N、速度為300 r/min條件下的磨損量隨時(shí)間變化曲線??梢钥闯?Fe基非晶納米晶涂層材料具有良好的耐磨性,其耐磨損性能優(yōu)于3Cr13涂層;在30 min后,F(xiàn)e基非晶納米晶涂層材料的耐磨性能約為3Cr13涂層的4倍。與3Cr13涂層相比,F(xiàn)e基非晶納米晶涂層具有較高的硬度,可以更好地抵抗塑性變形。此外,F(xiàn)e基非晶納米晶涂層組織均勻,結(jié)構(gòu)致密,涂層中氧含量較低,內(nèi)聚強(qiáng)度較高,具有良好的抗剝層磨損能力。因此,F(xiàn)e基非晶納米晶涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨損性能。

        2.4 涂層磨損失效分析

        圖6為Fe基非晶納米晶涂層和3Cr13涂層在載荷為20 N、速度為300 r/min、時(shí)間為900 s條件下的磨痕形貌。磨損表面存在微裂紋、點(diǎn)蝕和剝落坑,微區(qū)EDS分析結(jié)果如表3所示。從圖6(a)可以看出,非晶納米晶涂層的磨損表面主要可分為2種區(qū)域:顏色較亮、深凹的光滑區(qū)A和顏色較淺、非光滑區(qū)B。EDS分析A區(qū)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低,主要是氧化膜破裂后暴露出的新鮮涂層組織;顏色較淺的非光滑區(qū)域B中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,約為1.4%,說(shuō)明磨損面上存在少量的氧化物,為涂層表面的氧化膜。由于涂層硬度高,且在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中受到油膜的保護(hù),因此其氧化物薄膜比較少,磨損過(guò)程中的動(dòng)態(tài)氧化程度也低于干摩擦條件下的氧化磨損。在圖6(b)中,3Cr13涂層的磨損表面較為粗糙,存在大量的剝落坑,而且剝落坑連成一片。對(duì)圖6(b)中區(qū)域A和B進(jìn)行EDS分析可知:磨損表面氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常高,約為12%。區(qū)域A主要是表層組織剝落后形成新的氧化膜和暴露出的新鮮組織;區(qū)域B氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高,這是由于3Cr13涂層層間氧化物比較多,盡管受到油膜的保護(hù),在摩擦過(guò)程中也會(huì)發(fā)生氧化磨損。

        圖6 2種涂層表面失效形貌

        表3 涂層表面不同選區(qū)的EDS結(jié)果

        由于3Cr13涂層硬度低,塑性變形抗力較差,涂層中夾雜的氧化物較多,加上其組織疏松,孔隙率高,使得涂層的剝層抗力較弱。在較大交變接觸壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用下,涂層表面發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生位錯(cuò)增殖和運(yùn)動(dòng),隨后在變形層內(nèi)產(chǎn)生位錯(cuò)塞積和空位,并在表層下萌生裂紋并擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展到一定深度后與表層材料形成脆弱的“懸臂梁”,在切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生斷裂和剝落。另外,涂層中微裂紋、氣孔也為裂紋的萌生和擴(kuò)展提供了條件,加劇了摩擦磨損。其磨損失效機(jī)制主要為脆性剝落和氧化磨損[8]。

        與3Cr13涂層相比,F(xiàn)e基非晶納米晶涂層材料組織均勻致密,氧化物含量和孔隙率低,硬度和內(nèi)聚強(qiáng)度高,使得涂層具有較好的塑性變形抗力。而且,涂層組織主要是由硬質(zhì)的非晶相和彌散分布在其中的納米晶組成,納米晶在涂層中起到彌散強(qiáng)化的作用,在磨損過(guò)程中可以阻止裂紋的擴(kuò)展,使得非晶納米晶涂層具有優(yōu)異的耐磨損性能。其磨損失效機(jī)制主要為脆性剝落。

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