韓冰源 杜偉 徐文文 高祥涵 楚佳杰 吳成

摘要：為了研究車用發(fā)動機(jī)鋁合金活塞表面強(qiáng)化處理效果，以ZL109材料為基體，采用等離子噴涂技術(shù)制備鎳基合金涂層，并對涂層宏微觀形貌、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率等基本特性進(jìn)行了系統(tǒng)表征。在此基礎(chǔ)上，模擬活塞工作載荷和頻率，開展了實(shí)驗(yàn)室條件下常溫干摩擦試驗(yàn)，考核涂層摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明：鋁合金材質(zhì)車用發(fā)動機(jī)活塞采用等離子噴涂制備的鎳基合金涂層試驗(yàn)中，涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)性能優(yōu)異，顯微硬度為838.10 HV0.1，結(jié)合強(qiáng)度為12.27 MPa，截面孔隙率為3.82 %;常溫干摩擦條件下，涂層磨損失重小于鋁合金磨損失重，僅為3.2 mg。因此，采用等離子噴涂制備鎳基合金涂層可顯著提升鋁合金活塞的抗磨損性能。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)活塞;鋁合金;等離子噴涂;鎳基涂層;磨損性能

中圖分類號：TG174.442文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-7394（2021）06-0001-08

活塞作為汽車發(fā)動機(jī)的重要組件之一，被稱為發(fā)動機(jī)的“心臟”[1]。它一般服役于極端溫度、貧油、高比負(fù)荷等苛刻工作環(huán)境，隨著人們對發(fā)動機(jī)的爆發(fā)壓力和功率密度要求不斷提高，其機(jī)械負(fù)荷也不斷提升，表面磨損能量損耗通常高達(dá)總損耗的50%[2-4]。車用發(fā)動機(jī)鋁合金活塞具有材質(zhì)輕、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，然而，其高溫強(qiáng)度和耐磨性較差，因而容易出現(xiàn)由黏著磨損引發(fā)的內(nèi)壁拉缸以及由磨粒磨損引發(fā)的密封面破壞，從而使得發(fā)動機(jī)的整體質(zhì)量惡化，使用壽命及工作效率受到影響[5-7]。因此，為進(jìn)一步提高活塞的耐磨性能和綜合服役性能，延長其使用壽命，亟需對車用發(fā)動機(jī)活塞表面進(jìn)行強(qiáng)化處理的研究。

當(dāng)前，已有研究成果顯示：高曉波等人[8]對鋁合金活塞材質(zhì)添加TiB₂顆粒，使得工件高溫強(qiáng)度提升，活塞的磨損量降低70 %;趙小峰等人[9]對鋁合金活塞環(huán)環(huán)槽表面采用共沉積技術(shù)制備Ni-SiC耐磨涂層，涂層分布均勻覆蓋，硬度高達(dá)700～800 HV，耐磨性提高了2～3倍;吳成武等人[10]對失效退役的往復(fù)式活塞桿采用超音速火焰噴涂技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，使其耐用性優(yōu)于新品;逯世廷[11]研究發(fā)現(xiàn)，活塞的往復(fù)運(yùn)動使活塞-缸套磨損加劇、間隙加大，從而影響活塞的振動特性，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)的工作可靠性;張俊峰等人[12]對缸套/活塞摩擦副進(jìn)行激光束織構(gòu)處理后，利用含MoS₂和Al₂O₃顆粒的鎳基鍍液進(jìn)行鍍層，由于所含顆粒發(fā)揮的自潤滑功能降低了摩擦作用力，該鍍層使得工件磨損率顯著降低。然而，參考上述研究思路及方法，對鋁合金材質(zhì)活塞表面采用等離子噴涂技術(shù)制備鎳基涂層，并分析其組織、力學(xué)性能和磨損性能的研究相對較少。

本文以最常見的發(fā)動機(jī)活塞材料ZL109為基體，采用等離子噴涂技術(shù)制備鎳基合金涂層;分析涂層的宏微觀形貌、顯微硬度、孔隙率和結(jié)合強(qiáng)度等特性，并依據(jù)發(fā)動機(jī)活塞工作載荷及頻率，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)室條件下的常溫干摩擦試驗(yàn)，從而研究涂層摩擦學(xué)性能;開展車用發(fā)動機(jī)活塞表面強(qiáng)化處理涂層磨損性能的研究，以期后續(xù)為車用發(fā)動機(jī)活塞的減摩抗磨、高服役性能研究提供技術(shù)支持和參考。

1材料及方法

1.1基體材料

基體材料選用ZL109，其具有優(yōu)良的流動性、氣密性和抗熱裂性，較好的高溫強(qiáng)度和低溫膨脹系數(shù)，適合于金屬型鑄造，是最常見的發(fā)動機(jī)活塞材料[13]。噴涂前對鋁合金表面進(jìn)行清潔、噴砂等預(yù)處理工作，獲得清潔粗糙的表面后再進(jìn)行噴涂?；w試樣：30 mm×30 mm×5 mm立方體試樣;Φ25.4mm×5 mm圓柱試樣。

1.2噴涂材料

噴涂粉末選用北京鑫鑄聯(lián)新材料科技有限公司的Ni合金粉末，牌號為Ni60CuMo。粉末粒徑為46～105μm，如圖1所示為粉末形貌及EDS掃描分析。由圖1（a）可見，噴涂粉末多數(shù)呈現(xiàn)球形，少數(shù)形狀不規(guī)則，使得粉末具備較優(yōu)的流動性。由圖1（b）EDS圖譜可見，噴涂粉末主要以Ni、Cr元素為主。

1.3涂層制備

選用北京礦冶研究院的美科等離子噴涂設(shè)備進(jìn)行涂層制備，如圖2所示為等離子噴涂原理。通過輸送工作氣體（氬氣、氫氣、氮?dú)猓?，陰極與噴槍前端陽極產(chǎn)生火花放電，形成等離子氣體;送粉氣輸送噴涂粉末，在等離子焰流的加熱、加速效應(yīng)下，粉末達(dá)到熔融狀態(tài)并以熔滴形式噴射在基體表面，經(jīng)冷卻堆疊凝固后形成涂層[14]。

試驗(yàn)所選用噴涂參數(shù)如表1所示。

1.4性能測試與表征

采用電子掃描電鏡（SEM）和附帶的能譜儀（EDS）對涂層表面形貌及其化學(xué)成分進(jìn)行觀察和分析;采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對涂層進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測試;采用數(shù)顯顯微硬度儀隨機(jī)選取5個點(diǎn)對涂層顯微硬度進(jìn)行測試，加載載荷100 g，加載時(shí)長15 s，壓痕間的距離不小于3倍的壓痕對角線長度;采用Image J圖像分析軟件對放大倍數(shù)為800 的涂層截面照片進(jìn)行分析，計(jì)算孔隙率值;利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行圓環(huán)式室溫干摩擦試驗(yàn)，對磨球?yàn)橹睆? mm的GCr15鋼球，法向載荷為40N，摩擦轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨損時(shí)間為30 min。

2結(jié)果與分析

2.1涂層形貌分析

2.1.1涂層宏觀形貌觀察

鋁合金表面采用等離子噴涂，如圖3所示為鎳基涂層噴涂前后對比宏觀圖。由圖3（a）可見，鋁合金基體外觀有銀白色金屬光澤，潔凈光亮。而圖3（b）顯示，噴涂層表面呈現(xiàn)均勻的暗灰色，表面相對基體較為粗糙，有明顯的顆粒凸起感，宏觀中未發(fā)現(xiàn)涂層內(nèi)裂紋、翹起、剝落等缺陷現(xiàn)象，說明噴涂效果良好[15]。

2.1.2涂層微觀形貌分析

如圖4所示，為鋁合金表面采用等離子噴涂的鎳基涂層表面和截面。由圖4（a）可見，鎳基噴涂顆粒在工件表面融化程度和熔滴鋪展情況良好，但依然可見表面存在部分未熔顆粒、熔滴間間隙及凹凸不平的現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的原因可能由于等離子噴涂焰流溫度極高（最高可達(dá)10 000 ℃），送粉速率數(shù)值較高使得部分鎳基噴涂顆粒通過焰流時(shí)刻未達(dá)到完全熔融狀態(tài)，或是顆粒芯部未被加熱，在急速堆疊冷卻后形成表面存在部分未熔顆粒的結(jié)構(gòu)。由圖4（b）噴涂截面可觀察到涂層內(nèi)部熔化較好且致密，結(jié)合界面及涂層最外側(cè)處出現(xiàn)少量的孔隙、裂紋。分析出現(xiàn)微缺陷的原因主要在于：顆粒冷卻速率高于熔滴鋪展速率，發(fā)生冷卻收縮導(dǎo)致孔隙出現(xiàn);噴涂過程中熔滴堆疊時(shí)未完全重疊，邊界處出現(xiàn)裂紋或孔隙;熔滴撞擊時(shí)內(nèi)部存在的氣體未能及時(shí)溢出從而造成孔隙出現(xiàn)[16]。

2.2力學(xué)性能分析

2.2.1鎳基涂層顯微硬度測試

采用數(shù)顯顯微硬度儀，對按照表1工藝參數(shù)制備的涂層和基體隨機(jī)選取5個點(diǎn)進(jìn)行硬度測試，加載載荷為100 g，加載時(shí)長為15 s，壓痕間的距離不小于3倍的壓痕對角線長度，測試中避免因加工硬化而對其硬度值產(chǎn)生誤差影響。如表2 所示，為所得涂層及基體的顯微硬度測試結(jié)果。由表2可知：經(jīng)過5次硬度測試，基體的平均硬度為122.23 HV_0.1，而采用等離子噴涂技術(shù)制備的鎳基涂層平均硬度高達(dá)838.10 HV_0.1，約為基體硬度的7倍。

2.2.2鎳基涂層結(jié)合強(qiáng)度測試

如表3所示，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)利用對偶膠粘法對涂層進(jìn)行3次結(jié)合強(qiáng)度測試，并求其平均結(jié)合強(qiáng)度值。如圖5所示，為結(jié)合強(qiáng)度測試后涂層試樣宏觀斷口形貌。由圖5可見：拉伸斷裂部分發(fā)生在涂層與基體結(jié)合界面處，部分發(fā)生在涂層內(nèi)部，屬于層間斷裂。由于涂層基體結(jié)合以機(jī)械嚙合為主，以及因沉積放熱而形成微冶金結(jié)合;因此，涂層的結(jié)合力小于所用膠粘劑的結(jié)合力。經(jīng)過測試，鋁合金表面采用等離子噴涂制備的鎳基涂層其平均結(jié)合強(qiáng)度為12.27 MPa。

2.2.3鎮(zhèn)基涂層孔隙率測試

如表4所示，選取5張放大倍數(shù)為800的涂層截面照片，計(jì)算涂層截面孔隙率值和平均孔隙率。經(jīng)過5次測試計(jì)算，鋁合金表面采用等離子噴涂制備的鎳基涂層截面，其平均孔隙率為3.82 %，說明涂層截面結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)部存在的微缺陷較少。

2.3耐磨性能分析

如表5所示，為基體和涂層磨損失重統(tǒng)計(jì)。由表5可知：在常溫干摩擦條件下進(jìn)行了3次平行實(shí)驗(yàn)的圓環(huán)式磨損，基體的平均磨損失重為5 mg，鎳基涂層平均磨損失重為3.2 mg。結(jié)果表明：由于銀基涂層具有更好的耐磨性，因此，鋁合金表面通過等離子噴涂制備鎳基涂層，能夠提高工件的耐磨性能，符合零部件再制造要求。

如圖6所示，為鎳基涂層常溫干摩擦的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。由圖6可知，涂層在磨損過程中經(jīng)歷3個階段：前期處于磨損跑合，摩擦系數(shù)因剛開始的點(diǎn)接觸磨損出現(xiàn)急劇上升，后逐漸下降并達(dá)到短期穩(wěn)定狀態(tài);隨后，涂層進(jìn)入磨損階段，摩擦系數(shù)由于磨損顆粒的影響有較明顯的波動，表面部分未熔顆粒在此過程中發(fā)生剝離脫落的現(xiàn)象，作為新磨料對鎳基涂層產(chǎn)生影響，導(dǎo)致摩擦系數(shù)出現(xiàn)上升的現(xiàn)象，此時(shí)磨損機(jī)制為“三體”磨損;最后，表面經(jīng)過磨料的打磨效應(yīng)，涂層進(jìn)入了磨損穩(wěn)定階段，此時(shí)鎳基涂層的摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，無明顯的波動[17]。

如圖7所示，為基體和涂層磨損表面SEM圖。觀察磨損微觀區(qū)域可知：基體表面磨損較為嚴(yán)重，出現(xiàn)大量明顯的磨削及凹坑，凹坑中分布密集交錯的微裂紋，磨損機(jī)制表現(xiàn)為磨粒磨損和疲勞磨損，如圖7（a）;涂層表面磨損較輕，除少量剝落凹坑外表面平整，磨損機(jī)制表現(xiàn)為磨粒磨損[18]，如圖7（b）。

3結(jié)論

本文以ZL109材料為基體，采用等離子噴涂技術(shù)制備鎳基合金涂層，通過對涂層宏微觀形貌、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率等基本特性進(jìn)行系統(tǒng)表征，研究車用發(fā)動機(jī)鋁合金活塞表面強(qiáng)化處理效果。得出以下結(jié)論：

（1）鋁合金作為基體，采用等離子噴涂制備鎳基涂層，宏觀表面呈現(xiàn)均勻的暗灰色且較為粗糙，微觀形貌下表面融化程度和熔滴鋪展情況良好，但仍可見部分未熔顆粒、熔滴間隙及表面凹凸不平的現(xiàn)象。

（2）鎳基涂層平均硬度高達(dá)838.10 HV_0.1，約為基體硬度的7倍，平均結(jié)合強(qiáng)度為12.27 MPa，截面平均孔隙率為3.82 %。

（3）基體的平均磨損失重為5 mg，鎳基涂層平均磨損失重為3.2 mg，磨損表面平整，涂層的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損。

因此，在車用發(fā)動機(jī)活塞表面制備鎳基涂層能顯著提高工件的耐磨性，延長工件的使用壽命。

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Study on Wear Performance of Reinforced Coating on Piston Surface of Aluminum Alloy Engine Automobile

HAN Bingyuan，DU Wei，XU Wenwen，GAO Xianghan，CHU Jiajie，WU Cheng

（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract：In order to study the surface strengthening treatment effect on aluminum alloy piston of automobile engine，Ni-based alloy coating is prepared by plasma spraying using ZL109 material as matrix，and the basic properties of the coating，such as macroscopic and microscopic morphology，microhardness，bonding strength and porosity are characterized systematically. On this basis，the working load and frequency of the piston are simulated，the dry friction tests under laboratory temperature were carried out to evaluate the tribological properties of the coating. The results show that the Ni-based alloy coating prepared by plasma spraying on aluminum alloy piston for automobile engine has dense internal structure and excellent mechanical properties，the microhardness is 838.10 HV0.1，the bonding strength is 12.27 MPa，and the cross-section porosity is 3.82%. Under the dry friction condition at normal temperature，the wear weight loss of coating was less than that of aluminum alloy，which was only 3.2 mg. Therefore，the Ni-based alloy coating prepared by plasma spraying can significantly improve the wear resistance of aluminum alloy piston.

Key words：engine piston;aluminum alloy;plasma spraying;Ni-based coating;wear performance