王吉孝，王黎，馬李，莫才頌

(廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

艦載機(jī)偏流板涂層要求在干態(tài)、水態(tài)和油態(tài)條件下具有很好的防滑性能，以此保證飛機(jī)和重型設(shè)備在惡劣海洋狀況下不滑動(dòng)[1]。為延長(zhǎng)使用壽命，要求磨損后涂層仍保持高摩擦系數(shù)[2]。樹(shù)脂基涂層雖在美、英海軍艦載飛機(jī)甲板上有廣泛應(yīng)用，但該類(lèi)涂層還存在不足：耐磨性能僅為金屬基涂層的1/5以下；樹(shù)脂基涂層摩擦系數(shù)在兩年內(nèi)，摩擦系數(shù)由1.4降到0.8，而金屬基涂層摩擦系數(shù)可穩(wěn)定在0.9以上；同時(shí)樹(shù)脂基涂層易老化，高溫時(shí)揮發(fā)有毒氣體，但金屬基涂層沒(méi)這些缺點(diǎn)[3]。20世紀(jì)60年代, 金屬基防滑涂層就已應(yīng)用到艦載機(jī)偏流板。采用熱噴涂技術(shù)在CVA-59號(hào)航母偏流板上制備鋁酸鎳防滑涂層[4]。該板經(jīng)受大量飛機(jī)的燃?xì)鈬娚錃饬鳎挥泻苌冱c(diǎn)蝕[5]。將鋁酸鎳防滑涂層用于CVA-63號(hào)航母1#偏流板, 經(jīng)10個(gè)月使用性能完好[6]。現(xiàn)在金屬基防滑涂層多采用鋁基防滑涂層。國(guó)內(nèi)對(duì)防滑涂層的研究較少，裝甲兵工程學(xué)院研制了一種鋁基氧化鋁粉芯絲材，該涂層摩擦系數(shù)為0.7～0.9，純鋁涂層摩擦系數(shù)為0.4左右[7]。國(guó)內(nèi)也有一些采用噴涂方法制備耐磨涂層的研究[8-10]，但對(duì)于偏流板防滑涂層鮮有報(bào)道?；诖耍疚牟捎秒p絲電弧噴涂技術(shù)在6061-T6鋁合金上制備N(xiāo)i-Al復(fù)合涂層，對(duì)其摩擦磨損性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

基體材料為6061-T6鋁合金。噴涂絲材為美國(guó)的PRAXAIR公司生產(chǎn)，直徑1.6 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 噴涂絲材的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

噴涂設(shè)備采用美國(guó)PRAXAIR公司生產(chǎn)的9935型雙絲電弧噴涂系統(tǒng)?？諝鈮嚎s機(jī)為阿特拉斯公司生產(chǎn)，型號(hào)為GA30FF，帶冷干機(jī)，最大可提供1.0 MPa的壓力。噴砂設(shè)備型號(hào)為6090A，射吸式。摩擦系數(shù)使用傾角測(cè)量?jī)x測(cè)量，角度精度為±0.1°，測(cè)量精度為±0.01。采用濟(jì)南泰思特公司生產(chǎn)的MMW-1A型立式萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。磨損實(shí)驗(yàn)使用阻攔索磨損模擬試驗(yàn)裝置。并采用型號(hào)為HELIOS NANOLAB 600i的掃描電子顯微鏡觀察磨損試驗(yàn)后涂層的表面磨損形貌。

1.3 Ni-Al復(fù)合涂層制備

采用雙絲電弧噴涂方法制備兩種復(fù)合涂層，打底層都是Ni-5%Al，面層分別是Ni-5%Al和Ni-20%Al。分別記為A涂層和B涂層，研究?jī)煞N涂層的摩擦系數(shù)，優(yōu)化比較。涂層工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 雙絲電弧噴涂工藝參數(shù)

1.4 測(cè)試方法

摩擦系數(shù)測(cè)量參考美國(guó)軍標(biāo)MIL-PRF-24667C-4.5.1。試樣尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，制備涂層。分別對(duì)A、B涂層測(cè)量干態(tài)、水態(tài)及油態(tài)的50循環(huán)和500循環(huán)的靜摩擦系數(shù)。使用丙烯酸類(lèi)樹(shù)脂給涂層封孔，再分別測(cè)封孔后涂層的靜摩擦系數(shù)。每種測(cè)量的試樣數(shù)量均是4個(gè)?；瑝K主體是一個(gè)輪廓尺寸為145 mm×100 mm×22 mm的鋼塊，沿底面一端100 mm邊制作半徑19 mm的倒角。將100 mm寬和3 mm厚的硫化氯丁橡膠片(邵氏硬度57±2)粘在底面，并向上包住倒角弧面?；瑝K總重(鋼塊+橡膠片)為(2.7±0.2)kg。測(cè)試時(shí)滑塊和涂層表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向需要頻繁地在縱橫兩個(gè)方向切換。

摩擦磨損試驗(yàn)參考美國(guó)軍標(biāo)MIL-PRF-24667C-4.5.4，試驗(yàn)采用接觸式往復(fù)滑動(dòng)，試樣尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，摩擦副為Φ3 mm的冷軋ASTM A229 Class 2彈簧鋼絲(硬度HV100g430)，法向壓力為133.28 N，往復(fù)位移幅值為225 mm，滑動(dòng)速度為25 mm/s，試驗(yàn)溫度為室溫。磨損試驗(yàn)過(guò)程不允許鋼絲產(chǎn)生扭曲、彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)。采用分度值為0.01 g的PB1502-S精密天平稱(chēng)量磨損失重。涂層磨損值(%) = 100×(M2-M3) /(M2-M1)，涂層磨損值應(yīng)低于10%。其中M1為基體質(zhì)量，M2為磨損50個(gè)循環(huán)后涂層與基體質(zhì)量，M3為500個(gè)循環(huán)后的質(zhì)量。質(zhì)量稱(chēng)量精確到0.5 g。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層靜摩擦系數(shù)

表3和表4分別是A涂層和B涂層封孔前靜摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果，表5和表6分別是A涂層和B涂層封孔后靜摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果。表中的要求值是參考技術(shù)指標(biāo)規(guī)定值?？梢钥闯觯珹涂層封孔前50循環(huán)和500循環(huán)，水態(tài)、干態(tài)和油態(tài)三個(gè)試樣的靜摩擦系數(shù)最小值依次降低，而封孔后50循環(huán)和500循環(huán)的靜摩擦系數(shù)，干態(tài)、水態(tài)和油態(tài)三個(gè)試樣的靜摩擦系數(shù)最小值依次降低。封孔前后三種狀態(tài)最小值依次降低順序不同。表3中，A涂層50循環(huán)的干態(tài)靜摩擦系數(shù)為0.91，不滿(mǎn)足最小值≥0.95的要求，500循環(huán)的靜摩擦系數(shù)都滿(mǎn)足要求。表4中，B涂層50循環(huán)和500循環(huán)的靜摩擦系數(shù)最小值都滿(mǎn)足要求值。

表3 A涂層封孔前靜摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

表4 B涂層封孔前靜摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表5可見(jiàn)，A涂層50循環(huán)干態(tài)和油態(tài)最小值都低于要求值，500循環(huán)干態(tài)和水態(tài)最小值都低于要求值，因此不滿(mǎn)足要求。表6顯示，B涂層滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。封孔工藝對(duì)A涂層靜摩擦系數(shù)整體性能有一定影響，但是對(duì)B涂層影響程度不大。只是在500循環(huán)磨損后，B涂層干態(tài)靜摩擦系數(shù)從0.95下降到了0.91，下降程度偏大。但是封孔后，B涂層仍能滿(mǎn)足技術(shù)要求，而A涂層部分指標(biāo)低于技術(shù)要求。通過(guò)封孔前后靜摩擦系數(shù)的對(duì)比，B涂層體現(xiàn)了比A涂層更優(yōu)異的性能。在摩擦初始階段，隨著循環(huán)次數(shù)增加，摩擦系數(shù)下降，由于接觸峰頂相互間發(fā)生磨損和塑性變形，引起摩擦副接觸表面相互粘貼在一起，摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低。隨著磨損循環(huán)次數(shù)增加，接觸面積增大，磨損率降低，摩擦系數(shù)緩慢下降。

表5 A涂層封孔后靜摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

表6 B涂層封孔后靜摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

許多磨損粒子在這一過(guò)程中產(chǎn)生，磨損粒子作為三體磨損參與其中，經(jīng)過(guò)塑性變形后的磨屑硬質(zhì)顆粒對(duì)涂層有犁溝效應(yīng)，由于Ni-20%Al涂層硬度較高，而且耐磨性好，隨著磨損進(jìn)行，表面形貌變化非常微小，此時(shí)摩擦系數(shù)變化浮動(dòng)也很小，最后將會(huì)進(jìn)入相對(duì)比較平穩(wěn)的階段。整個(gè)磨損過(guò)程中涂層磨損后的濕態(tài)摩擦系數(shù)變化較小。與干態(tài)相比，摩擦系數(shù)并沒(méi)有由于水介質(zhì)的存在而顯著降低，而是摩擦系數(shù)有所提高。也就是說(shuō)，水的存在使滑動(dòng)變得更加困難。水的存在將會(huì)產(chǎn)生兩種作用，一是在涂層上形成水膜，起到潤(rùn)滑作用；二是在滑動(dòng)面間有水存在時(shí)，滑塊上的橡膠在受壓后擠出與涂層之間的空氣形成負(fù)壓吸附，這增加了滑動(dòng)的困難性。由于水的黏度很小，潤(rùn)滑作用遠(yuǎn)不及負(fù)壓吸附作用。所以涂層干態(tài)摩擦系數(shù)一般低于濕態(tài)摩擦系數(shù)。此外，在濕態(tài)時(shí)由于負(fù)壓吸附起主導(dǎo)作用，因此涂層表面的狀態(tài)對(duì)摩擦系數(shù)影響不是主要因素，在整個(gè)磨損過(guò)程中，Ni-20%Al涂層濕態(tài)摩擦系數(shù)浮動(dòng)不大，并趨于一致[11]。

2.2 涂層滑動(dòng)摩擦系數(shù)

對(duì)A涂層和B涂層分別進(jìn)行50個(gè)循環(huán)磨損后干態(tài)、水態(tài)及油態(tài)滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試，每種狀態(tài)測(cè)量都選4個(gè)試樣，滑動(dòng)摩擦系數(shù)取平均值，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表7，表中的靜摩擦系數(shù)是封孔前50個(gè)循環(huán)的靜摩擦系數(shù)最低值。由表7知，在干態(tài)滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)條件下，A、B兩種涂層的滑動(dòng)摩擦系數(shù)相比靜摩擦系數(shù)均有下降，且A涂層下降幅度比B的大。水潤(rùn)濕條件下，A涂層和B涂層的滑動(dòng)摩擦系數(shù)與干態(tài)滑動(dòng)摩擦系數(shù)相比變化不大，為0.81和0.90；而油潤(rùn)濕滑動(dòng)摩擦系數(shù)出現(xiàn)了下降，均為0.62?？梢?jiàn)，摩擦介質(zhì)影響著滑動(dòng)摩擦系數(shù)。綜合比較，相同摩擦副和摩擦介質(zhì)條件下，滑動(dòng)摩擦系數(shù)要小于靜摩擦系數(shù)。B涂層的干態(tài)、水潤(rùn)濕條件下的滑動(dòng)摩擦系數(shù)優(yōu)于A涂層，在油潤(rùn)滑條件下，兩種涂層滑動(dòng)摩擦系數(shù)相差不大。

表7 A涂層和B涂層三種狀態(tài)下的滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果

2.3 涂層耐磨性

對(duì)A和B兩種涂層的耐磨性進(jìn)行檢測(cè)，表8為測(cè)量結(jié)果，其中A、B涂層試樣各分為4組。磨損計(jì)算公式為涂層磨損值(%)=100×(M2-M3)/(M2-M1)。A涂層最大值為6.58%，平均值為4.18%。B涂層最大值為4.37%，平均值為1.78%。兩種涂層磨損最大值都滿(mǎn)足要求(小于10%)。根據(jù)涂層磨損值公式，磨損值越大，表明M2與M3的差值相比M2與M1的差值越大，失重越大，耐磨性越差，可見(jiàn)B涂層磨損后的失重平均值小于A涂層，因此B涂層耐磨性較好，這主要?dú)w因于涂層的相結(jié)構(gòu)。面層Ni-20%Al涂層含有NiAl和Ni3Al金屬間化合物，因此具有較高的硬度及較好的耐磨性。綜上表明，采用Ni-20%Al作為面層時(shí)的耐磨性?xún)?yōu)于采用Ni-5%Al作為面層時(shí)的耐磨性能。

表8 A涂層和B涂層耐磨性測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

2.4 涂層磨損形貌

從磨損形貌中可知，在磨損初期，涂層表現(xiàn)一定程度的黏著磨損。當(dāng)磨損50個(gè)循環(huán)時(shí)，涂層的黏著磨損較輕。磨損到300個(gè)循環(huán)時(shí)，Ni-Al涂層發(fā)生進(jìn)一步磨損，不過(guò)形貌變化不大。進(jìn)行到最后階段，Ni-Al涂層磨損表面形貌依舊沒(méi)有明顯變化。

2.5 涂層磨損機(jī)理

摩擦副的兩個(gè)表面之間發(fā)生直接接觸時(shí)，微觀接觸面積的總和構(gòu)成真實(shí)的接觸面。在微觀接觸面范圍內(nèi)將形成較大的機(jī)械應(yīng)力，摩擦副的切向相對(duì)運(yùn)動(dòng)使這些應(yīng)力進(jìn)一步強(qiáng)化。因此受到負(fù)荷作用的粗糙面凸峰發(fā)生彈塑性變形。涂層表面的吸附層和反應(yīng)層會(huì)遭到破壞，它不一定發(fā)生在原始接觸處，可能發(fā)生在摩擦副表面層邊緣位置，這使摩擦副上的材料轉(zhuǎn)移到另一方的摩擦副上，同時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一些松脫磨粒。

對(duì)冷軋鋼絲和Ni-20%Al涂層這對(duì)摩擦副，由于涂層中含有Ni3Al和NiAl相，冷軋鋼絲高于涂層的顯微硬度，因此發(fā)生黏著磨損。由于塑性材料抗黏著磨損能力不如脆性材料，塑性材料形成黏著結(jié)點(diǎn)的主要破壞形式是塑性流動(dòng)，它在距離表面一定深度位置發(fā)生。由于脆性材料損傷的深度比較淺，磨屑容易脫落，從而不容易堆積在表面上。

根據(jù)強(qiáng)度理論，引起脆性材料破壞的主要原因是正應(yīng)力，而引起塑性材料破壞的主要原因是切應(yīng)力。在磨損過(guò)程中，表面接觸的最大正應(yīng)力是在摩擦副表面位置產(chǎn)生，在距離表面一定深度形成最大切應(yīng)力，因此隨著塑性增加，材料黏著性變得越嚴(yán)重。在室溫下NiAl和Ni3Al金屬間化合物塑性較低，按脆性材料分析，Ni-Al涂層磨屑細(xì)小，且磨損量小，不易堆積，所以磨損后期很難形成大顆粒微觀切削。Ni-20%Al涂層在整個(gè)磨損過(guò)程中，磨損形貌變化較小，表現(xiàn)為黏著磨損，因此該涂層具有較高耐磨性[12,13]。

3 結(jié)論

(1)A(Ni-5%Al//Ni-5%Al)、B(Ni-5%Al//Ni-20%Al)兩種涂層的干態(tài)、水態(tài)和油態(tài)靜摩擦系數(shù)結(jié)果顯示，隨著磨損循環(huán)次數(shù)的增加，摩擦系數(shù)降低。綜合比較，B涂層封孔前后的各項(xiàng)靜摩擦系數(shù)優(yōu)于A涂層，都滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。

(2)相同摩擦副和摩擦介質(zhì)條件下，滑動(dòng)摩擦系數(shù)小于靜摩擦系數(shù)。B涂層的干態(tài)、水潤(rùn)濕條件下的滑動(dòng)摩擦系數(shù)優(yōu)于A涂層，在油潤(rùn)滑條件下，兩種涂層的滑動(dòng)摩擦系數(shù)相差不大。

(3)B涂層的耐磨性?xún)?yōu)于A涂層的耐磨性。Ni-20%Al涂層表現(xiàn)出較好的耐磨性，在整個(gè)磨損過(guò)程中，涂層始終表現(xiàn)為黏著磨損。隨磨損進(jìn)行，涂層的干態(tài)靜摩擦系數(shù)一直下降，直至最后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，濕態(tài)靜摩擦系數(shù)變化浮動(dòng)較小。