付東興，楊中元，張曉囡，張彬，孫昊，劉飛，李文杰

（北京有色金屬研究總院 有研粉末新材料（北京）有限公司, 北京 100088）

關(guān)鍵字WC-12Co；Ag；自潤滑涂層；摩擦；超音速火焰噴涂

隨著航空、航天和空間技術(shù)的發(fā)展，許多高溫部件的服役溫度進(jìn)一步提高，零部件的表面磨損問題日益突出，傳統(tǒng)的潤滑油或潤滑脂無法滿足使用要求[1]。開發(fā)新型的高溫耐磨自潤滑涂層材料，在涂層表面形成固體潤滑膜，減小摩擦副的摩擦因數(shù)，將有望大幅提高高溫部件的使用壽命。新型高溫固體自潤滑涂層體系及其制備方法是科研人員近年研究的熱點(diǎn)[2-7]。

在高溫耐磨自潤滑涂層的研究中，常用的耐磨硬質(zhì)相有NiCr/CrC，WC-Co，TiC，TiN等涂層材料[8-11]。其中，WC-12Co是一種常用的耐磨材料，在涂層中WC相具有高硬度和高耐磨性，而Co相作為粘結(jié)相，使涂層具有一定的強(qiáng)度和韌性。WC-12Co涂層具有良好的抗滑動(dòng)磨損、磨料磨損、微動(dòng)磨損和沖蝕磨損等性能，已被廣泛用作航空、汽車等行業(yè)耐磨零件的保護(hù)層，適用于采用等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)和爆炸噴涂技術(shù)等制備涂層[12-13]。為了發(fā)揮WC-Co涂層的高溫性能優(yōu)勢(shì)，在涂層內(nèi)部加入固體潤滑相，如WS2，Cu，Ag，BaF2/CaF2等元素[14-17]，將能改善涂層的高溫摩擦因素，得到性能優(yōu)異的高溫耐磨自潤滑涂層材料。其中，Ag具有良好的減摩性能，其熔點(diǎn)為960.5℃，在室溫到650℃的范圍內(nèi)能夠表現(xiàn)出優(yōu)良的自潤滑性能[18]。

本文研究探討了不同Ag含量的超音速火焰噴涂WC-12Co/Ag涂層高溫摩擦性能，并將其與WC-12Co涂層進(jìn)行對(duì)比，從而為開發(fā)具有優(yōu)異性能的高溫耐磨自潤滑復(fù)合涂層材料提供一定的應(yīng)用研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用WC-12Co粉末為國內(nèi)市場成熟的超音速火焰噴涂用熱噴涂粉末，粒度為1～7um，Ag粉為粒度在1～7um左右的超細(xì)粉末。WC-12Co/Ag復(fù)合粉末是通過噴霧造粒工藝將WC-12Co粉末和Ag粉末充分混合均勻制備而成。

采用Metco Diamond Jet型超音速火焰噴涂系統(tǒng)制備涂層，制備工藝參數(shù)如表1所示。使用Axiovert 200 MAT型金相顯微鏡觀察金相組織；采用Philips APD-10型X射線衍射儀分析相成分，借助JSM 7001F型掃描電子顯微鏡觀察微觀形貌。

表1 超音速火焰噴涂WC-12Co/Ag涂層的工藝參數(shù)Table 1 Process parameter of WC-12Co/Ag coating by supersonic fl ame spraying

采用SRV試驗(yàn)機(jī)（聯(lián)邦德國OPTIMOL公司生產(chǎn)）測(cè)試涂層的高溫摩擦性能。本文試驗(yàn)過程中溫度為500℃，頻率為40Hz，壓力分別為50N、100N、150N、200N，沖程為3mm。對(duì)偶件是GH4169材質(zhì)。試樣外形如圖1所示。

圖1 高溫摩擦試驗(yàn)試樣Fig.1 Test sample under high temperature friction

2 涂層的成分設(shè)計(jì)

選用NiAl合金絲作為打底層材料。在噴涂NiAl絲材的過程中會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，提高了熔滴的熱能，相當(dāng)于對(duì)熔滴進(jìn)行二次加熱，有利于延長熔滴在基體表面的凝固時(shí)間和降低冷卻速度，能夠獲得微區(qū)的界面擴(kuò)散，從而顯著提高打底層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)噴涂后打底層的表面潔凈且粗糙，能夠?yàn)楹罄m(xù)工作層提供形成優(yōu)良機(jī)械結(jié)合的沉積面，有效地提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

工作層選用WC-12Co/Ag涂層，Ag含量分別為10%，15%和20%。WC-12Co是一種常用的耐磨材料，在涂層中WC相具有高硬度和高耐磨性，而Co相作為粘結(jié)相，使涂層具有一定的強(qiáng)度和韌性。WC-12Co涂層具有良好的抗滑動(dòng)磨損、磨料磨損、微動(dòng)磨損和沖蝕磨損等性能，已被廣泛用作航空、汽車等行業(yè)耐磨零件的保護(hù)層，適用于采用等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)和爆炸噴涂技術(shù)等制備涂層。潤滑相選用金屬單質(zhì)Ag，Ag在小于650℃的環(huán)境中具有良好的潤滑作用，在900℃以下不產(chǎn)生氧化，能保持Ag單質(zhì)金屬的原有特性。在摩擦力和壓力的作用下，接觸面表面溫度升高，由于熱膨脹系數(shù)不同的原因，Ag將會(huì)從耐磨相中擠出后發(fā)生塑性變形，本身柔軟的金屬特性使Ag顆粒在磨損表面形成一層保護(hù)膜。

3 涂層中A g元素的分布

含Ag量為20%涂層的金相形貌如圖2所示，圖中灰色的相為WC和Co相，白色的為Ag相，黑色的為氧化物、碳化物或孔隙。從圖中可以看出，Ag在涂層中分布較均勻。涂層的XRD測(cè)試結(jié)果如圖3所示，由圖可見，三種涂層均主要由WC和Ag兩相組成，同時(shí)形成了Co6W6C相。從圖3（a）到圖3（c），Ag含量逐漸增加，WC的含量有所減少。經(jīng)過噴涂后，Ag仍主要以單質(zhì)的形式存在于涂層中，這是由于超音速火焰噴涂速度快，Ag來不及氧化。同時(shí)，噴涂過程中WC與Co元素形成了Co6W6C相。這是因?yàn)槌羲倩鹧鎳娡窟^程中，WC硬質(zhì)陶瓷部分發(fā)生分解、金屬Co發(fā)生氧化所致。

圖2 WC-12Co/20%Ag涂層的金相形貌Fig.2 Microstructure morphology of WC-12Co/20%Ag coating

圖3 WC-12Co/Ag涂層的相成分(a)含Ag 10%涂層；(b) 含Ag 15%涂層；(c)含Ag 20%涂層Fig.3 WC-12Co/Ag coating phase composition containing 10%Ag coating (a); (b) containing 15%Ag coating; (c) containing 20%Ag coating

4 涂層摩擦性能研究

圖4為WC-12Co涂層的摩擦因數(shù)隨著行程距離變化的情況，行程0～250之間加載的載荷為50N，行程250以后加載的載荷為100N。從圖中可以看出，加載載荷為50N的過程中，摩擦因數(shù)不斷波動(dòng)，且幅度較大。加載載荷為100N的初期，摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度仍然較大，中段波動(dòng)幅度變小，但摩擦因數(shù)持續(xù)上升，后段波動(dòng)幅度再次變大。結(jié)合該涂層磨痕微觀形貌（圖5）可知，在與對(duì)偶件的往復(fù)摩擦過程中，初期，涂層與對(duì)偶件之間處于磨合期，導(dǎo)致摩擦因數(shù)大幅度波動(dòng)；中期，接觸面磨合良好，但由于缺少潤滑，摩擦因數(shù)持續(xù)上升；后期，隨著涂層中局部有金屬顆粒剝落，導(dǎo)致摩擦因數(shù)再次大幅度波動(dòng)變化。

圖6 為三種不同Ag含量涂層摩擦因數(shù)隨行程距離變化的情況。涂層中曲線（a）、（b）和（c）分別對(duì)應(yīng)含Ag量為10%、15%和20%的WC-12Co/Ag涂層。其中行程0～250加載的載荷為50N，行程250～500加載的載荷為100N，行程500～750加載的載荷為150N，行程750～1000加載的載荷為200N。為便于表述，對(duì)四個(gè)行程距離分別定義為行程1、行程2、行程3和行程4。

圖4 WC-12Co涂層摩擦因數(shù)的變化Fig.4 Change of the friction factor of WC-12Co coating

在磨損初期，涂層與對(duì)偶件需要時(shí)間磨合。在此過程中，摩擦因數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)，但由于有Ag元素的參與，波動(dòng)的幅度較不含Ag的WC-12Co涂層要小，并且隨著局部小顆粒的剝落，接觸面增加，摩擦因數(shù)有所上升，具體見圖6中行程1中曲線的變化。

圖5 WC-12Co涂層高溫摩擦磨損試驗(yàn)后磨痕的微觀形貌Fig.5 Microstructure of WC-12Co coating grinding crack after high temperature friction and wear tests

圖6 WC-12Co/Ag涂層摩擦因數(shù)的變化（a）含Ag10%涂層；（b）含Ag15%涂層；（c）含Ag20%涂層Fig.6 Change of the friction factor of WC-12Co/Ag coating（a）including Ag10% coating；（b）contain Ag15% coating；（c）contain Ag20% coating

行程2為磨合平穩(wěn)期，載荷的增加加快了磨合期的進(jìn)程，三種涂層均由小幅度波動(dòng)階段過渡到平穩(wěn)期，在此階段，涂層與對(duì)偶件的接觸面磨合完畢，進(jìn)入穩(wěn)定的磨損期。三種涂層中由于Ag含量不同，Ag析出到磨損表面的數(shù)量不同，導(dǎo)致平穩(wěn)期的摩擦因數(shù)隨著Ag含量的增加而降低，即含Ag含量為20%的WC-12Co/Ag涂層的摩擦因數(shù)最低，約為0.47。

進(jìn)入磨合平穩(wěn)期后，雖然增加載荷到了150N，但在行程3的初期，摩擦因數(shù)并沒有出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，而是迅速進(jìn)入平穩(wěn)期。三種涂層的摩擦因數(shù)在此過程中，均比較平穩(wěn)，分別約為0.54、0.44和0.43。涂層（b）和涂層（c）的摩擦因數(shù)接近，且明顯低于涂層（a）的數(shù)值。說明含Ag為10%的涂層潤滑效果不如其他兩個(gè)涂層。

當(dāng)將載荷提高到200N時(shí)，具體見圖6中行程4曲線的變化。涂層（a）的摩擦因數(shù)先是迅速下降，然后逐漸上升，而涂層（b）和涂層（c）的摩擦因數(shù)的大小與行程3中的數(shù)值沒有明顯變化，僅涂層（b）的數(shù)值下降到與涂層（c）的數(shù)值接近。結(jié)合圖7中行程4結(jié)束時(shí)各涂層表面的微觀形貌及Ag元素在磨痕表面的分布情況可知：在摩擦磨損過程中，涂層（a）中的Ag相對(duì)較少，由于Ag潤滑膜的保護(hù)不足，有一些金屬顆粒逐漸剝落，在接觸面之間滾動(dòng)，降低了摩擦因數(shù)，而隨著硬質(zhì)相磨粒的增多，在接觸面之間加速磨損，使摩擦因數(shù)增加；而對(duì)于含Ag量為15%和20%的涂層（b）和涂層（c），在摩擦磨損過程中，潤滑相在接觸面形成了一定厚度連續(xù)分布的Ag膜，起到了良好的潤滑作用。涂層（b）和涂層（c）具有相似的摩擦因數(shù)，即WC-12Co/Ag涂層含有15%以上的Ag時(shí)，涂層具有良好的自潤滑性能。

圖7 涂層高溫摩擦試驗(yàn)后磨痕的微觀形貌Fig.7 Coating microstructure of grinding crack after high temperature friction test

5 結(jié)論

采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備的耐磨自潤滑涂層以WC為硬質(zhì)相，Co為粘結(jié)相，Ag為自潤滑相。制備的涂層中Ag元素主要以單質(zhì)的形式均勻分布；當(dāng)涂層中含Ag量小于10%時(shí)，在500℃環(huán)境中摩擦?xí)r，Ag在界面處形成的潤滑膜不連續(xù)，在試驗(yàn)后期潤滑膜失效，導(dǎo)致摩擦因數(shù)波動(dòng)并增加；當(dāng)涂層中含Ag量大于15%時(shí)，在500℃環(huán)境中摩擦?xí)r，Ag在界面處形成連續(xù)的潤滑膜，起到良好的自潤滑作用，能夠改善WC-12Co涂層的摩擦性能。