曹四龍, 王凌倩, 胥衛(wèi)奇, 周健松

水介質(zhì)下2種摩擦副材料磨損行為和機(jī)理研究

曹四龍, 王凌倩, 胥衛(wèi)奇, 周健松

(中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院材料磨損與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州, 730000)

針對(duì)水中兵器關(guān)鍵部件在服役過(guò)程中發(fā)生的摩擦磨損問(wèn)題, 開(kāi)展適用于水介質(zhì)下的摩擦副材料及其摩擦學(xué)性能研究。利用激光熔覆技術(shù)制備了Co基合金涂層, 研究了Co基合金涂層及Co基合金-PEF復(fù)合涂層與2種合金材料在水介質(zhì)條件下配副時(shí)的摩擦學(xué)行為, 并與38CrMoAl-錫青銅摩擦副進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明: 在水介質(zhì)中, 38CrMoAl-錫青銅摩擦副具有最高的摩擦系數(shù)和磨損率, 分別為0.420和1.503×10–5mm3/(N·m), 磨損機(jī)理主要為嚴(yán)重的黏著磨損和磨粒磨損; Co基合金涂層具有較高的顯微硬度和抗塑性變形能力, 與GH2130和GH4169對(duì)磨時(shí)摩擦系數(shù)分別為0.209和0.306, 磨損率為2.321×10–6mm3/(N·m)和4.283×10–6mm3/(N·m), 磨損機(jī)理主要為磨粒磨損; Co基合金-PEF復(fù)合涂層與GH2130構(gòu)成的摩擦副摩擦系數(shù)為0.079, 涂層磨損率為1.257×10–8mm3/(N·m), 在4種摩擦副中表現(xiàn)出最優(yōu)異的摩擦磨損性能。

水中兵器; Co基合金涂層; 水介質(zhì); 摩擦學(xué)性能; 磨損機(jī)理

0 引言

魚(yú)雷、水雷等武器以及水中爆破器材和水泵等裝置中的部分零部件, 如魚(yú)雷殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸缸體, 以及垂直發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射管、閥座、閥桿和軸等, 由于長(zhǎng)期服役于水介質(zhì)中, 易發(fā)生腐蝕和磨損而報(bào)廢[1-4]。采用表面改性技術(shù)對(duì)零部件進(jìn)行強(qiáng)化處理, 能夠在保持金屬基體材料性能的前提下賦予其優(yōu)異的耐蝕耐磨等表面功能特性, 對(duì)于延長(zhǎng)零部件使用壽命、提高系統(tǒng)可靠性以及降低使用成本具有重要意義。

材料的組成和結(jié)構(gòu)是影響其機(jī)械性能和耐蝕耐磨性能的關(guān)鍵因素, 對(duì)比考察不同涂層及摩擦配副材料在水介質(zhì)中的磨損行為和機(jī)理對(duì)于水中兵器關(guān)鍵部件材料的選型十分重要。在眾多的合金材料中, Co基合金由于具有良好的熱穩(wěn)定性, 優(yōu)異的耐高溫、耐磨耐蝕性能以及熔化時(shí)與基體材料較好的潤(rùn)濕性等特點(diǎn), 適用于耐磨、耐蝕和抗熱疲勞等零部件的制造[5-6]。其中CoCrW基高溫合金因其良好的高溫性能和綜合力學(xué)性能得到了廣泛應(yīng)用[7]。Co與Cr可以生成穩(wěn)定的γ-Co固溶體, 少量的碳參與反應(yīng)使基體中彌散分布著亞穩(wěn)態(tài)的Cr23C6、M7C3和WC等碳化物以及硼化物, 因而該合金具有更高的紅硬性、高溫耐磨性、耐蝕性和抗氧化性[8-9]。在基體表面制備CoCrW基涂層有望顯著改善基體材料的硬度、耐磨和耐蝕等性能[10-11]。

目前針對(duì)CoCrW基涂層在水介質(zhì)條件下的摩擦學(xué)行為研究相對(duì)較少。文中通過(guò)激光熔覆以及激光熔覆-冷噴涂復(fù)合技術(shù)分別制備了Co基合金涂層和Co基合金-PEF(Polyethylene Furanoate)復(fù)合涂層, 選用具有優(yōu)異耐腐蝕性能的2種不同硬度的Ni基合金作為對(duì)偶材料, 研究涂層與2種合金在水介質(zhì)條件下配副時(shí)的摩擦學(xué)行為和磨損機(jī)理, 為水中兵器關(guān)鍵裝備零部件材料的選型和應(yīng)用提供指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。

1 摩擦磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及涂層制備

試驗(yàn)所用粉末為球形Co基合金粉末, 主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)): C(1.07%～1.20%), Si(1.00%～ 1.30%), Cr(28.61%～29.50%), W(4.55%～4.80%), Ni(0.92%～ 3%), Fe(0.32%～1%), 余量為Co。基材為38CrMoAl合金, 主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)): C(0.35%～0.42%), Si (0.20%～0.45%), Cr(1.35%～1.65%), Mo(0.15%～ 0.25%), Al(0.3%～1.1%), 余量為Fe。利用線切割工藝將基材加工成尺寸為50 mm×20 mm的圓片, 激光熔覆處理前基材表面經(jīng)過(guò)酒精清洗和噴砂粗化處理。激光熔覆處理采用4 kW高功率連續(xù)波光纖固體激光器(IPG-YLS- 4000), 具體加工參數(shù): 激光功率2 kW, 掃描速度500 mm/min, 光斑直徑4 mm, 搭接率50%, 送粉速率1.2 L/min, 整個(gè)熔覆過(guò)程采用氬氣保護(hù)防止過(guò)度氧化和燒損。將所制備的Co基合金涂層利用80、400、800、1000、1500和2000目碳化硅砂紙依次打磨, 再借助冷噴涂技術(shù)將PEF涂料噴涂于經(jīng)噴砂和打磨處理的Co基合金涂層表面, 得到Co基合金-PEF復(fù)合涂層, 其中PEF厚度為15 μm, 截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 涂層截面結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 微觀組織和性能測(cè)試

利用硝酸、丙三醇和鹽酸(體積比為1:2:3)的混合溶液在室溫下對(duì)拋光后的合金涂層樣品進(jìn)行刻蝕, 通過(guò)掃描電子顯微鏡(JEOL-JSM-5600LV)對(duì)涂層截面進(jìn)行顯微組織觀察。利用X射線衍射儀測(cè)定原始粉末和涂層的物相組成, Cu-Ka輻射波長(zhǎng)=0.154 059 8 nm, 掃描范圍2=20～80°。采用MH-5-VM型顯微硬度計(jì), 在3 N載荷和5 s保載時(shí)間下, 沿截面深度方向每隔50 μm測(cè)量涂層顯微硬度分布。利用NHT02-05987納米壓痕儀對(duì)拋光后合金涂層的彈性模量進(jìn)行測(cè)試, 測(cè)試條件如下: 加載力8 mN, 保載時(shí)間10 s, 加載和卸載時(shí)間30 s。

利用Rtec-3000F型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī), 通過(guò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)模式對(duì)涂層在水介質(zhì)條件下與2種合金材料配副時(shí)的摩擦磨損性能進(jìn)行研究。將Co基合金涂層和Co基合金-PEF復(fù)合涂層試樣加工為30 mm×4.5 mm的圓盤(pán), 選取的配副材料分別為直徑6.35 mm的GH2130和GH4169合金球。摩擦磨損試驗(yàn)條件: PV值30 MPa·m/s, 時(shí)間10 min, 載荷20 N, 往復(fù)行程15 mm, 頻率10 Hz。為確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 每個(gè)試樣在相同條件下至少進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。利用掃描電鏡(scanning elec- tron microscope, SEM)對(duì)試樣的磨損形貌進(jìn)行表征。磨痕的三維形貌和磨損體積由MicroXAM- 800三維表面輪廓儀測(cè)量, 磨損率為

()(1)

式中:為磨損率;為磨損體積;為施加載荷;為總滑動(dòng)距離。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層組成與微觀結(jié)構(gòu)

圖2為Co基合金涂層的X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)圖譜。Co基合金涂層主要由γ-Co(Cr)固溶體組成, 在連續(xù)激光溫度場(chǎng)作用下, Cr和W等金屬原子在Co基體中充分固溶形成單一物相。與原始粉末組成相比, 激光熔覆處理得到的Co基合金涂層主要物相并未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變, 保持了原有粉末的組成。這主要是由于Co基合金中Co為面心立方結(jié)構(gòu)且具有很強(qiáng)的合金化能力, 因此在激光熔覆處理過(guò)程中保持了化學(xué)組分的穩(wěn)定性, 適宜用作基體材料。并且相比目前應(yīng)用于激光熔覆的Fe基和Ni自熔性粉末, Co基自熔性粉末表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性, 優(yōu)異的耐磨、耐蝕性能以及熔化時(shí)與基體材料較好的潤(rùn)濕性等特點(diǎn), 在耐磨、耐蝕和抗熱疲勞的關(guān)鍵零件的制造中表現(xiàn)出更加廣闊的應(yīng)用前景[7, 11]。

圖2 Co基合金涂層X(jué)RD圖譜

圖3給出了Co基合金涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)。其中, 圖3(a)為Co基合金涂層與38CrMoAl基材的界面微觀結(jié)構(gòu)?？梢钥吹? Co基合金涂層與基材界面形成了平整的冶金結(jié)合帶, 涂層底部主要由具有一定生長(zhǎng)取向的樹(shù)枝晶組成, 組織成分均勻, 沒(méi)有氣孔和裂紋等缺陷。涂層底部組織呈現(xiàn)出一定的生長(zhǎng)取向, 這主要是由于晶粒生長(zhǎng)方向?yàn)樯岬姆捶较? 界面處無(wú)法與空氣充分對(duì)流散熱, 主要通過(guò)基體熱傳導(dǎo)散失, 故垂直于結(jié)合界面的晶粒生長(zhǎng)速度最快, 使枝晶生長(zhǎng)方向垂直于界面。同時(shí)在熔融過(guò)程中, 合金粉末與基體表面同時(shí)熔化使化學(xué)元素發(fā)生擴(kuò)散促使枝晶外延生長(zhǎng)。圖3(b)為Co基合金涂層的頂部微觀組織放大形貌, 涂層主要由細(xì)小的樹(shù)枝晶組成, 無(wú)明顯的組織偏析和團(tuán)聚。在涂層頂部, 熔體由向基體單一方向的熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚧w和空氣雙向傳導(dǎo)散熱, 導(dǎo)致冷卻速率顯著增加, 晶粒的粗大生長(zhǎng)被抑制, 因此涂層頂部形成細(xì)小的樹(shù)枝晶, 晶粒尺寸相比于底部明顯減小。此外, 激光熔覆技術(shù)具有快速加熱和冷卻的優(yōu)勢(shì), 在熔覆過(guò)程中合金熔體最高冷卻速率可達(dá)107K/s, 有利于得到晶粒尺寸細(xì)小、無(wú)成分偏析的細(xì)晶強(qiáng)化涂層[12]。

圖3 Co基合金涂層微觀結(jié)構(gòu)

2.2 涂層機(jī)械性能

材料的摩擦學(xué)性能與其機(jī)械性能緊密相關(guān), 高的硬度和彈性模量有助于提高材料的耐磨性能和承載能力。圖4為Co基合金涂層在室溫條件下的截面顯微硬度分布曲線, 縱坐標(biāo)為施加載荷為2.94 N時(shí)的維氏硬度。從圖中可以看到, Co基合金涂層主要由激光熔覆層、熱影響區(qū)和基材3部分區(qū)域組成。Co基合金涂層的維氏硬度(Hv)為500±15, 硬度值分布均勻, 相比38CrMoAl基材提高了200左右, 這主要得益于γ-Co(Cr)固溶體的固溶強(qiáng)化, 以及由于激光快速加熱和快速冷卻特點(diǎn)產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用。同時(shí)W元素具有較大的原子半徑, 可以增加固溶畸變的程度和微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性, 使得Co基涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能。在涂層的底部, 隨著熔體冷卻速率減小, 晶粒尺寸變得粗大, 細(xì)晶強(qiáng)化作用減弱, 同時(shí)由于與基體表層元素發(fā)生嚴(yán)重對(duì)流互滲導(dǎo)致涂層組成偏離原始設(shè)計(jì)組分, 因此Co基合金涂層底部的維氏硬度下降40。熱影響區(qū)是激光熔覆過(guò)程中基材元素?cái)U(kuò)散與合金涂層形成的熔合區(qū), 在此區(qū)間, 涂層組成成分與原始粉末設(shè)計(jì)偏離程度加劇, 導(dǎo)致硬度呈現(xiàn)顯著的梯度降低趨勢(shì)。

圖4 Co基合金涂層截面硬度分布曲線

圖5為Co基合金涂層和基材的室溫納米壓痕載荷-位移曲線, 相應(yīng)的結(jié)果于表1中給出。由表1可知, Co基合金涂層的彈性模量相比38CrMoAl基材顯著提高, 這是Cr和W原子的固溶強(qiáng)化和激光誘導(dǎo)的細(xì)晶強(qiáng)化協(xié)同作用的結(jié)果。通過(guò)rev%=(max?res)/max×100%[13]和塑性變形抗力(plastic deformation resistance, PDR)=3/2(其中:為硬度;為彈性模量)[14]公式計(jì)算得到基材和合金涂層的彈性恢復(fù)率和抗塑性變形性能, 進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn), Co基合金涂層的機(jī)械性能相比基材均得到明顯改善, 高的抗塑性變形能力有利于合金涂層摩擦學(xué)性能的改善[15]。

圖5 Co基合金涂層和基材納米壓痕載荷-位移曲線

表1 基材和Co基合金涂層機(jī)械性能

2.3 水介質(zhì)條件下涂層摩擦學(xué)性能

圖6分別呈現(xiàn)了38CrMoAl-錫青銅、Co基合金涂層-GH4169、Co基合金涂層-GH2130和Co基合金-PEF復(fù)合涂層-GH2130等4種摩擦副在水介質(zhì)條件下對(duì)磨時(shí)的平均摩擦系數(shù)和磨損率。可以看到, 4種摩擦副在水介質(zhì)條件下的摩擦學(xué)性能呈現(xiàn)顯著差異。38CrMoAl-錫青銅摩擦副具有最高的摩擦系數(shù)和磨損率, 分別為0.420和1.503×10–5mm3/(N·m)。Co基合金涂層與GH2130和GH4169對(duì)磨時(shí), 摩擦系數(shù)分別為0.209和0.306, 磨損率分別為2.321×10–6mm3/(N·m)和4.283×10–6mm3/(N·m), 相比38CrMoAl-錫青銅摩擦副摩擦系數(shù)和磨損率都有所下降, 其中磨損率降低了1個(gè)數(shù)量級(jí)。Co基合金-PEF復(fù)合涂層-GH2130摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.079和1.257×10–8mm3/(N·m), 在4種摩擦副中最低, 表現(xiàn)出最優(yōu)異的摩擦磨損性能。

圖6 水介質(zhì)條件下不同摩擦副平均摩擦系數(shù)和磨損率

2.4 水介質(zhì)條件下涂層磨損機(jī)理

圖7為4種摩擦副在水介質(zhì)條件下對(duì)磨后的三維磨損形貌。由圖7(a)可知, 38CrMoAl與錫青銅對(duì)磨后, 磨痕最大深度達(dá)到了43 μm, 磨痕表面較平整。相比38CrMoAl-錫青銅摩擦副, Co基涂層-GH4169和Co基涂層-GH2130摩擦副的磨痕深度顯著降低, 耐磨損性能得到顯著改善。Co基合金涂層相比38CrMoAl基體材料, 由于γ-Co(Cr)固溶體的固溶強(qiáng)化以及由激光快速加熱和快速冷卻特點(diǎn)產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用, 具有更高的硬度、彈性模量和抗塑性變形能力, 因此表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐磨損性能。同時(shí)對(duì)偶材料GH4169和GH2130合金相比錫青銅具有更高的硬度和抗塑性變形能力, 減小了摩擦過(guò)程中由塑性變形引起的黏著磨損傾向, 從而明顯減小了磨損率。Co基合金-PEF復(fù)合涂層與GH2130對(duì)磨時(shí)的磨損深度和寬度顯著降低, 最大磨損深度僅為3.6 μm, 約為38CrMoAl與錫青銅配副時(shí)的1/10, 表現(xiàn)出最優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。

圖7 水介質(zhì)條件下不同摩擦副三維磨損形貌

為進(jìn)一步考察不同摩擦副材料的摩擦磨損機(jī)理, 對(duì)涂層與不同對(duì)偶配副時(shí)的磨痕形貌進(jìn)行了分析。圖8為4種摩擦副在水介質(zhì)條件下對(duì)磨后的SEM磨損形貌。38CrMoAl與錫青銅在水介質(zhì)下對(duì)磨后, 磨痕表面分布大量的黏著剪切層和少量粗大的磨屑顆粒, 主要是由于錫青銅具有較低的剪切強(qiáng)度和較高的塑性變形能力, 在與分別為Co基涂層-GH4169和Co基涂層-GH2130摩擦副的磨損微觀形貌, Co基涂層-GH4169摩擦副磨痕表面分布大量的細(xì)小磨屑顆粒, 磨痕表面平整度相對(duì)38CrMoAl基材得到顯著改善, 此時(shí)的磨損率得到顯著降低。Co基合金涂層與GH2130對(duì)磨后磨痕表面形成了局部連續(xù)光滑的潤(rùn)滑膜, 同時(shí)伴隨少量細(xì)小的磨屑顆粒, 局部平整連續(xù)潤(rùn)滑膜的形成有利于減小金屬配副之間的直接剪切作用, 降低了黏著磨損的傾向, 有利于摩擦學(xué)性能的改善[16]。圖8(d)為Co基合金-PEF復(fù)合涂層與GH2130對(duì)磨后的磨痕形貌, 復(fù)合涂層磨痕表面分布大量的沿著滑動(dòng)方向的輕微犁溝。與38CrMoAl-錫青銅、Co基合金涂層-GH4169和Co基合金涂層-GH2130摩擦副相比, 摩擦表面未發(fā)現(xiàn)明顯的磨屑顆粒和黏著剪切層, 表面平整度和粗糙度得到顯著改善, 復(fù)合涂層具有最小的磨損率。PEF潤(rùn)滑涂層的制備減小了Co基合金涂層與GH2130之間的直接剪切接觸, 為摩擦配副間提供了良好的潤(rùn)滑作用, 顯著減小了黏著剪切發(fā)生的可能性。此外, 水介質(zhì)的潤(rùn)滑作用有利于摩擦系數(shù)的進(jìn)一步降低。復(fù)合涂層中Co基合金涂層具有較高的硬度和彈性模量, 可以提供較好的承載能力, 對(duì)于延長(zhǎng)Co基合金-PEF復(fù)合涂層的使用壽命具有重要作用。

圖8 水介質(zhì)條件下不同摩擦副磨痕SEM形貌

3 結(jié)論

文中通過(guò)試驗(yàn)研究了Co基合金涂層及Co基合金-PEF復(fù)合涂層與2種合金材料在水介質(zhì)條件下配副時(shí)的摩擦學(xué)行為, 得出如下結(jié)論。

1) Co基合金涂層主要由單一的γ-Co固溶體形成的細(xì)小樹(shù)枝晶組成, 無(wú)明顯的組織偏析和團(tuán)聚。

2) Co基合金涂層具有高的顯微硬度和抗塑性變形能力, 相比38CrMoAl合金基材機(jī)械性能得到顯著提高, 這主要得益于γ-Co固溶體的固溶強(qiáng)化作用以及由于激光快速加熱和快速冷卻特點(diǎn)產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用。

3) 在水介質(zhì)條件下, Co基合金-PEF復(fù)合涂層與GH2130構(gòu)成的摩擦副在4種摩擦副中具有最低的摩擦系數(shù)和磨損率(分別為0.079和1.257×10–8mm3/(N·m), 表現(xiàn)出最優(yōu)異的摩擦磨損性能, 磨損機(jī)理為輕微的磨粒磨損。復(fù)合涂層中Co基合金涂層可以提供較好的承載能力, 對(duì)于延長(zhǎng)Co基合金-PEF復(fù)合涂層的使用壽命具有重要作用。

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Study on Wear Behavior and Mechanism of Two Friction Pairs in Water Medium

CAO Si-longWANG Ling-qianXU Wei-qiZHOU Jian-song

(Key Laboratory of Science and Technology on Wear and Protection of Materials, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

In view of the friction and wear problems of key components of underwater weapons, research on friction pair materials suitable for water media and their tribological properties is carried out. Co-based alloy coatings are prepared by laser cladding technology. The tribological behavior of Co-based alloy coatings and Co-based alloy-PEF composite coatings sliding against two kinds of alloys in water is studied and compared with that of a 38CrMoAl-tin bronze friction pair. The results show that the 38CrMoAl-tin bronze friction pair has the highest friction coefficient and wear rate in water, with values of 0.420 and 1.503×10–5mm3/N·m, respectively. The wear mechanism mainly involves severe adhesive wear and abrasive wear. The Co-based alloy coating exhibits high microhardness and resistance to plastic deformation. When the Co-based alloy coating slides against GH2130 and GH4169, the friction coefficients are 0.209 and 0.306, while the wear rates are 2.321×10–6mm3/N·m and 4.283×10–6mm3/N·m, respectively. The wear mechanism mainly involves abrasive wear. The friction coefficient of the friction pair, Co-based alloy-PEF composite coating and GH2130, is 0.079, and the wear rate is 1.257×10–8mm3/N·m, which shows the best friction and wear performance among the four friction pairs.

underwater weapon; Co-based alloy coating; water medium; tribological property; wear mechanism

TJ630.4; TB34

A

2096-3920(2021)06-0709-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.010

曹四龍, 王凌倩, 胥衛(wèi)奇, 等. 水介質(zhì)下2種摩擦副材料磨損行為和機(jī)理研究[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(6): 709-715.

2021-07-28;

2021-09-06.

曹四龍(1993-), 男, 博士, 主要研究方向?yàn)椴牧媳砻婀こ?

(責(zé)任編輯: 吳 攀)