孫全芳

摘 要：零件的磨損腐蝕失效幾乎都是從表面開始的，多層涂層提高金屬零件耐磨耐蝕性能效果非常明顯，針對(duì)多層涂層的耐磨耐蝕功能，本文選擇了鎳基自潤(rùn)滑材料，設(shè)計(jì)了三種結(jié)構(gòu)的多層涂層。

關(guān)鍵詞：耐磨耐蝕；多層涂層；自潤(rùn)滑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磨損和腐蝕是機(jī)械設(shè)備零部件最常見的失效形式，對(duì)因磨損、腐蝕等原因所造成的零件失效研究表明，磨損和腐蝕破壞幾乎都是從表面開始，表面局部損傷逐漸發(fā)展，最終造成整個(gè)零件的失效。因此，對(duì)零件進(jìn)行表面改性處理來提高抗磨損抗腐蝕性能等成為材料學(xué)科研究的熱點(diǎn)之一，熱噴涂涂層技術(shù)是零件表面改性處理的重要的技術(shù)。

涂層結(jié)構(gòu)不僅影響涂層與基體的界面，而且影響涂層的制備工藝和制備成本，對(duì)熱噴涂涂層的性能影響非常大。因此，合理的涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)提高涂層性能和降低制備成本具有重要意義。目前，熱噴涂涂層，在結(jié)構(gòu)上存在四種形式，即雙層涂層、三層涂層、梯度涂層和階梯復(fù)合涂層。

一、涂層設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題：

（一）涂層抵抗環(huán)境的化學(xué)作用性。改善涂層抵抗環(huán)境化學(xué)作用性的途徑有：（1） 選擇對(duì)環(huán)境介質(zhì)有足夠化學(xué)惰性的涂層材料。（2） 采用不同涂層材料組成復(fù)合涂層，利用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，阻止或延緩環(huán)境介質(zhì)與涂層之間的相互作用。

（二）涂層與環(huán)境的熱匹配性。涂層與環(huán)境的熱匹配性是指涂層適應(yīng)環(huán)境溫度變化的能力。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，涂層內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力不導(dǎo)致涂層剝落。

改善涂層與環(huán)境熱匹配性的途徑有：（1）選擇與基體線膨脹系數(shù)相近的涂層材料。（2）通過涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使涂層與基體之間的熱應(yīng)力最小。

（三）涂層與環(huán)境的力學(xué)相容性。涂層與環(huán)境的力學(xué)相容性是指涂層在工作時(shí)的力學(xué)穩(wěn)定性，即涂層與基體的結(jié)合性和涂層的抗磨損性。提高涂層對(duì)環(huán)境的耐磨性的措施有：（1）根據(jù)磨損機(jī)制，選取相應(yīng)的涂層材料，例如抗磨粒磨損，應(yīng)選用高硬度涂層，而抗粘著磨損，則應(yīng)選用具有自潤(rùn)滑作用的材料。（2）選取適當(dāng)?shù)慕饘僬辰Y(jié)層材料和涂層結(jié)構(gòu)，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

（四）涂層制備工藝所帶來的問題。采用熱噴涂技術(shù)制備涂層，存在三大問題：（1）涂層的層狀組織結(jié)構(gòu)，決定了涂層的多孔性。多孔的涂層對(duì)涂層的抗氧化性和抗腐蝕性有較大的影響。（2）涂層與基體及涂層間的機(jī)械鑲嵌和微冶金結(jié)合，導(dǎo)致涂層的結(jié)合強(qiáng)度較低。（3）涂層與基體物理、化學(xué)性質(zhì)上的差異，導(dǎo)致制備涂層時(shí)，涂層內(nèi)存在較大的殘余應(yīng)力。熱噴涂技術(shù)中的這三大問題，通過涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使其危害性減小。

二、耐磨耐蝕涂層設(shè)計(jì)

（一）涂層材料系確定。耐磨耐蝕涂層是用于保護(hù)基體不受高硬度配副磨損和腐蝕介質(zhì)腐蝕。MoS2具有良好的自潤(rùn)滑性能，Ni包MoS2具有較高的硬度和強(qiáng)度，鎳的包覆保護(hù)，使MoS2在有氧環(huán)境噴涂中不易分解，具有較好的減磨耐磨耐蝕性能，因此，選用Ni包MoS2作為工作層。

Ni包C硬度強(qiáng)度都低，是一種軟質(zhì)涂層，石墨具有典型的密排六方結(jié)構(gòu)，同一平面層中碳原子的距離a=0 142nm，不同層面之間碳原子的距離c=0 340nm。每個(gè)碳原子與同一平面層中的其它3個(gè)碳原子以強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合的同時(shí)，還要與鄰近平面層中的碳原子以較弱的電子鍵結(jié)合。平面層與平面層之間的碳原子的結(jié)合力要比同一層內(nèi)碳原子間的結(jié)合力小100多倍。當(dāng)涂層中的石墨受到摩擦力切向作用時(shí)，層面容易發(fā)

生解理，表現(xiàn)為低摩擦因數(shù)的層間滑移。Ni包C層作為中間層，可以使涂層工作層受到剪切力時(shí)，兩層之間產(chǎn)生一定程度滑移，從而抵抗裂紋的產(chǎn)生，對(duì)耐磨性有利。

中間層是軟質(zhì)涂層，涂層中含有自潤(rùn)滑軟相，組織較疏松，與基體結(jié)合性差，改善界面結(jié)合最直接的辦法就是在涂層與基體間制備一層過渡層，使該過渡層的性能介于涂層與基體之間，且與涂層和基體均有良好的結(jié)合，由此緩解界面突變的問題，Ni60涂層與中間層都屬鎳基涂層，且硬度和強(qiáng)度都很高，因此選用Ni60涂層作為粘結(jié)層。

（二）涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。要求涂層同時(shí)具有減磨耐磨特性，在結(jié)構(gòu)上要考慮以下幾個(gè)方面：（1）針對(duì)涂層的減磨耐磨性，采用

Ni包MoS2作為工作層，鎳基涂層組織致密，耐磨損性能好，結(jié)合強(qiáng)度高，MoS2作為潤(rùn)滑相，能夠減小涂層的摩擦系數(shù)。（2）針對(duì)線膨脹系數(shù)的要求，各層材料均選用鎳基粉末；中間過渡層選用Ni包C，該涂層是一種軟涂層，孔隙率高，作為中間過渡層在涂層工作時(shí)起到彈簧墊式的緩沖作用，并且中間層的厚度對(duì)涂層的性能有較大的影響。

根據(jù)每種涂層材料所起的作用不同，經(jīng)過組合，設(shè)計(jì)了三種多層涂層結(jié)構(gòu)及三種單層涂層，見圖a，涂層厚度都為300-350μm，其中多層涂層粘結(jié)層都為60-80μm，為了比較中間層厚度對(duì)多層涂層性能的影響，設(shè)計(jì)了不同厚度的中間過渡層，一種涂層中間層厚度為80μm，另外一種涂層為120μm。