茍海龍，賈均紅，陳體軍，楊杰，何乃如，陳威

等離子噴涂NiAl-V2O5/CuO復(fù)合涂層的寬溫域摩擦學(xué)行為

茍海龍1,2，賈均紅2,3，陳體軍1，楊杰2，何乃如2，陳威2

（1.蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，蘭州 730050；2.陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021；3.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點實驗室，蘭州 730000）

以具有較好低溫潤滑性能的V2O5和CuO為復(fù)合潤滑相，設(shè)計并制備在寬溫域下具有良好摩擦學(xué)性能的NiAl基高溫潤滑耐磨涂層。采用大氣等離子噴涂技術(shù)（APS）制備了不同配比的NiAl-V2O5/ CuO復(fù)合涂層，并探究其在寬溫域內(nèi)（RT～800 ℃）的摩擦學(xué)性能。利用SEM（掃描電子顯微鏡）、XRD（X射線衍射儀）和Raman（激光拉曼散射儀）等，分析了涂層在寬溫域下的摩擦表面結(jié)構(gòu)和物相變化及磨損機理。復(fù)合涂層為典型的等離子噴涂層狀結(jié)構(gòu)，氧化物分布較為均勻，隨氧化物含量的增加，涂層孔隙率上升。復(fù)合涂層在寬溫域內(nèi)有良好的潤滑性能，室溫和高溫（800 ℃）下NiAl-10% V2O5/CuO涂層的摩擦因數(shù)分別低至0.39和0.21。磨損率隨復(fù)合氧化物含量的增加而增大，但在室溫和高溫段均較低，其中10% V2O5/CuO添加的復(fù)合涂層在室溫和高溫下的磨損率分別為4.3×10?5mm3/(N?m)和5.1×10?5mm3/(N?m)。高溫摩擦促使三元氧化物Ni3V2O8、Cu3V2O8和CuV2O6的生成，這些新生相與CuO、V2O5、NiO等在磨損表面形成潤滑層。V2O5/CuO的復(fù)配明顯改善了涂層在室溫和高溫段的摩擦學(xué)性能，但隨著氧化物含量的增加，涂層力學(xué)性能下降，磨損率隨之增大。高溫下涂層潤滑性能的明顯提升歸因于磨損表面形成的三元氧化物高溫潤滑膜。

大氣等離子噴涂；氧化物；寬溫域；摩擦；潤滑；磨損機理

隨著航空航天發(fā)動機、燃氣輪機等現(xiàn)代高新技術(shù)的快速發(fā)展，對關(guān)鍵運動部件在高溫、高速和高載等苛刻工況下的潤滑耐磨材料的要求越來越高[1-3]，相應(yīng)的先進高溫潤滑耐磨材料則成為高溫摩擦學(xué)研究的難點和熱點之一[2]。針對高溫工況條件，常規(guī)的固體潤滑劑（如MoS2、石墨等）由于在制備及服役過程中發(fā)生高溫氧化失效[4]，已經(jīng)難以滿足高溫潤滑要求。高溫乃至寬溫域下的有效潤滑和耐磨損仍然是材料摩擦學(xué)研究的難點[5]。

許多氧化物由于其良好的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)穩(wěn)定性，成為高溫潤滑劑的潛在首選材料[4,6-8]。近年來，一些金屬氧化物和雙金屬氧化物作為高溫固體潤滑劑受到廣泛關(guān)注[9]。對于氧化物潤滑性能的研究，Erdemir[10-11]提出了離子勢理論，用來解釋二元氧化物的潤滑行為，即具有高離子勢的氧化物，其陰離子對陽離子有強的屏蔽作用，使得陽離子之間難以相互作用，導(dǎo)致氧化物普遍軟化且熔點降低，從而帶來良好的潤滑性能。相反，具有較低離子勢或陽離子場強度的氧化物（如Al2O3、ZrO2、MgO、ThO2）非常堅硬，即使在高溫下也難以剪切，這是因為它們的陽離子之間形成了強的鍵合力，使它們非常堅固且難以剪切。Erdemir[11]在之后的研究中發(fā)現(xiàn)，在雙氧化物體系中，離子勢相差越大，其潤滑性能越優(yōu)異。根據(jù)離子勢判據(jù)，筆者前期采用大氣等離子噴涂技術(shù)（APS）分別制備了NiAl基MoO3/CuO涂層[12]和MoO3/BaO涂層[13]，結(jié)果顯示，在高溫時MoO3/CuO復(fù)合涂層具有良好的摩擦學(xué)性能，但RT～200 ℃下摩擦因數(shù)保持在0.6以上；同樣MoO3/BaO復(fù)合涂層在高溫下有好的潤滑性能，但低溫摩擦學(xué)性能仍不理想。進一步通過氧化物結(jié)構(gòu)納米化制備的NiAl-TiO2/Bi2O3涂層[14]，其明顯改善了涂層的層狀結(jié)構(gòu)和涂層強度，并在高溫下實現(xiàn)了減摩，但室溫和200 ℃下的摩擦因數(shù)分別為0.55、0.72，低溫段的潤滑性能仍然較差。綜上可以看出，基于離子勢判據(jù)的復(fù)合氧化物的添加可極好地起到高溫潤滑作用，但低溫段摩擦學(xué)性能卻未能改善，進而如何保證低溫下涂層良好的潤滑性能仍是亟需解決的難題。

本文根據(jù)氧化物離子勢判據(jù)，在前期研究的基礎(chǔ)上，探索低熔點氧化物復(fù)配設(shè)計，以期進一步改善涂層的寬溫域摩擦學(xué)性能。選擇具有低剪切強度的CuO[15-17]及低熔點（680 ℃）且具有易于剪切的層狀結(jié)構(gòu)的V2O5作為復(fù)合潤滑相，以期改善涂層低溫階段的潤滑性能[18-19]。同時，根據(jù)離子勢判據(jù)，V2O5（=8.4）和CuO（=2.8）具有較大的離子勢差，二者復(fù)配時預(yù)期具有良好的高溫潤滑性能。選擇具有良好抗氧化性能、高熔點和耐高溫蠕變的NiAl作為基體相[20-21]，采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備NiAl-V2O5/ CuO（NAVC）復(fù)合涂層，考察復(fù)配氧化物的添加量對復(fù)合涂層截面微觀形貌、力學(xué)性能及寬溫域摩擦學(xué)性能的影響，詳細分析涂層在寬溫域下的磨損表面形貌和物相變化，闡明涂層在寬溫域內(nèi)的潤滑和磨損機理。

1 試驗

1.1 涂層制備

選用Inconel 718高溫合金作為涂層基底材料，試樣直徑為28 mm，高度為8 mm。選擇 NiAl（北礦新材 KF-6）粉末為涂層基體相，以市售試劑級V2O5和CuO為潤滑添加相，在高溫下可能生成的潤滑相為Cu3V2O8。經(jīng)計算，當(dāng)V2O5和CuO質(zhì)量比為1∶1時，所得物質(zhì)的量比近似1∶1，故V2O5和CuO配比采用質(zhì)量比1∶1。因市售的V2O5和CuO粉末粒徑過細，流動性差，不可用于等離子噴涂，故需進行團聚處理。將V2O5和CuO粉末與無水乙醇混合，60～80 ℃下烘干，粉末團聚為塊狀固體，后經(jīng)機械破碎，再經(jīng)2次篩分（篩孔直徑分別為78 μm和38 μm），得到粒徑為38～78 μm的團聚粉末。處理前后粉末形貌如圖1所示。

圖1 粉末處理前后的形貌

將復(fù)合原料粉末在三維混合儀（M10，Grinder，CHINA）中混合10 h，以確保噴涂時各成分均勻混合。將基體噴涂面用砂紙打磨平整后噴砂處理，之后用無水乙醇超聲清洗3次（每次15 min），以保證噴涂面潔凈。基底上先噴涂一層約100 μm的NiAl打底層，以降低涂層和基底之間因膨脹系數(shù)不同而造成的應(yīng)力并增加涂層結(jié)合強度。使用APS噴涂設(shè)備（9MC，SulZer Metco，USA）進行試樣噴涂，具體參數(shù)如表1所示。不同復(fù)合氧化含量的3種復(fù)合涂層分別標(biāo)志為NAVC1、NAVC2和NAVC3，具體成分見表2。

表1 涂層噴涂參數(shù)

Tab.1 Parameters of spraying equipment

表2 復(fù)合涂層的成分及力學(xué)性能

Tab.2 Composition and mechanical properties of the composites coatings

1.2 涂層表征和性能測試

用HV-1000顯微硬度儀對復(fù)合涂層的硬度進行測定，負載為3 N，保壓時間為10 s，隨機選擇5個測試點，求取平均值。依照ASTMC633-01標(biāo)準(zhǔn)，使用（WDW-200）萬能材料試驗機測量材料的結(jié)合強度，樣品直徑為25.4 mm，拉伸速率為0.5 mm/min。利用HT-1000球盤式高溫磨擦機測定涂層的摩擦學(xué)性能，以Al2O3球（硬度為1 650Hv，密度為3.92 g/cm3）為對偶試樣，測試溫度分別為RT、200、400、600、800 ℃，負載為10 N，轉(zhuǎn)速為400 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑為5 mm，持續(xù)時間為60 min。每個氧化物配比進行3次試驗，以保證摩擦學(xué)性能數(shù)據(jù)的重復(fù)性，摩擦因數(shù)取試驗平均值。測試前將試樣用拋光機打磨，之后用無水乙醇清洗10 min，確保其表面平整，并防止表面污染對試樣的摩擦磨損性能造成影響。

使用DSX-510超景深顯微鏡測定磨損軌道截面積（），隨機取5個點，求平均值，并由公式/()計算磨損率（為磨損率、為磨痕周長、為載荷、為行程長度）。采用X射線衍射儀（XRD，Smart Lab 9 kW，日本）分析摩擦表面物相，銅靶Kα射線，掃描速度為5 (°)/min，掃描范圍為20°～80°，加載電壓為40 kV，電流為150 mA。采用THEM激光拉曼散射儀（Raman，DXRxi，美國）分析磨痕內(nèi)外、對偶球表面的物相組成，激發(fā)波長為532 nm。采用TESCAN公司生產(chǎn)的TESCAN Vega2型掃描電子顯微鏡和X 射線能譜儀對涂層的截面及磨損區(qū)域進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)

圖2為復(fù)合涂層的橫截面掃描電鏡形貌。可以看出，涂層以典型的層狀組織鋪疊構(gòu)成，氧化物多以帶狀分布在片層之間，在涂層中分布較為均勻，這樣有利于持續(xù)潤滑?？紫堵孰S氧化物含量的增加而增大，NAVC1、NAVC2、NAVC3的孔隙率分別為5.17%、9.27%和12.61%。由EDS圖像能夠看到，涂層中的淺灰色區(qū)域主要由CuO構(gòu)成，深灰色區(qū)域和少量的黑色區(qū)域分別為V2O5和Al2O3，其中Al2O3的生成主要是因為NiAl基體中Al在噴涂過程中的氧化。涂層中的孔隙主要集中在深灰色區(qū)域，這可能與V2O5屬于低熔點氧化物（680 ℃）且與NiAl的熔點相差過大有關(guān)。

表2給出了NAVC涂層的力學(xué)數(shù)據(jù)和孔隙率?？梢钥闯觯S復(fù)配氧化物含量的增加，涂層顯微硬度從211.2Hv降至172.7Hv，結(jié)合強度從40.3 MPa降至35.8 MPa。另外，測試了經(jīng)100 h、800 ℃高溫氧化后的涂層結(jié)合強度，相比于原始涂層，結(jié)合強度有不同程度的下降。NAVC1涂層在3種配比中具有最高的硬度和結(jié)合強度。涂層硬度降低一方面在于氧化物含量升高導(dǎo)致孔隙率增大，致密性降低；另一方面在于軟質(zhì)氧化物自身硬度較低，隨其含量的增加，涂層發(fā)生軟化。而涂層結(jié)合強度主要由熱噴涂片層間的結(jié)合強度和涂層與基體間的結(jié)合強度決定[22-23]。氧化物片層的力學(xué)性能較差，且在噴涂過程中氧化物顆粒受熱時間短，不能充分熔融，因此不能很好地黏結(jié)上下金屬片層。氧化物含量的增加導(dǎo)致涂層結(jié)合強度下降。另外，V2O5（680 ℃）和CuO（1 326 ℃）的熔點相差較大，導(dǎo)致各物相之間的內(nèi)聚強度偏低，也降低了涂層的機械強度[13]。

圖2 復(fù)合涂層的截面掃描電鏡形貌

在經(jīng)過100 h、800 ℃高溫氧化后，涂層的結(jié)合強度有所降低。其中，NAVC1涂層的結(jié)合強度由40.3 MPa下降至36.3 MPa，變化并不明顯，但NAVC2和NAVC3涂層則發(fā)生了劇烈下降，NAVC3涂層的結(jié)合強度由35.8 MPa降至16.2 MPa。為了進一步分析涂層在高溫下所發(fā)生的變化，圖3給出了3種涂層經(jīng)100 h、800 ℃高溫氧化后的橫截面形貌。如圖3a所示，NAVC1經(jīng)高溫氧化后未發(fā)生明顯變化，保持了其片層狀特征結(jié)構(gòu)，并由EDS面掃描圖像能夠發(fā)現(xiàn)，主要氧化物為V2O5、CuO和Al2O3，涂層整體并未受到嚴重氧化。但隨涂層復(fù)合氧化物含量的升高，NAVC2（圖3b）截面形貌發(fā)生了明顯變化，其片層狀結(jié)構(gòu)消失，疏松的氧化組織深入涂層內(nèi)部，并由EDS面掃描圖像能夠看到，氧元素在涂層截面均勻密集分布，這表明涂層整體受到嚴重氧化。相較于前兩者，NAVC3涂層（圖3c）出現(xiàn)了更嚴重的破壞，涂層截面生成了連續(xù)疏松的氧化組織，且出現(xiàn)了大量裂紋。由EDS面掃描圖像發(fā)現(xiàn)，氧元素在截面上呈連續(xù)密集分布，涂層整體受到嚴重的氧化腐蝕。氧化組織和裂紋的出現(xiàn)是造成涂層力學(xué)性能下降的主要原因。各涂層在高溫下產(chǎn)生以上差異性的原因可能在于涂層屬于多孔組織，隨復(fù)合氧化物含量的升高，涂層孔隙率升高，過高的孔隙率會使得氧氣容易侵入到涂層內(nèi)部，在高溫下使得涂層基體發(fā)生氧化，從而破壞了涂層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。而NAVC1具有較低的孔隙率，涂層結(jié)構(gòu)較為致密，能夠有效防止氧氣滲透，保持了較好的力學(xué)性能。

圖3 800 ℃高溫氧化后復(fù)合涂層截面的掃描電鏡形貌

2.2 摩擦學(xué)性能

圖4給出了復(fù)合涂層各溫度下的摩擦因數(shù)和磨損率?？梢钥闯?，純NiAl涂層在RT～600 ℃內(nèi)的摩擦因數(shù)約為0.55，800 ℃時，保持在0.45左右。加入V2O5和CuO后，復(fù)合涂層的室溫和高溫摩擦學(xué)性能得到了明顯的改善，在整個溫度區(qū)間內(nèi)，NAVC涂層的摩擦因數(shù)均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，室溫下NAVC涂層的平均摩擦因數(shù)均約為0.41，之后在200 ℃時達到最高（約0.48）并逐漸下降，400 ℃時降至約0.36，800 ℃達到最低。其中NAVC1復(fù)合涂層各溫度下的摩擦因數(shù)均最低，室溫和800 ℃時的摩擦因數(shù)分別為0.39和0.21。

圖4 復(fù)合涂層在不同測試溫度下的摩擦因數(shù)和磨損率

從以上能夠得出，相較于NiAl-MoO3/CuO[12]、NiAl-MoO3/BaO[13]和NiAl-TiO2/Bi2O3[14]體系，NAVC涂層在RT～400 ℃范圍內(nèi)的摩擦因數(shù)明顯下降。純NiAl涂層和NAVC涂層的磨損率變化具有相似的規(guī)律，均隨溫度的升高呈先升高后降低的趨勢，不同的是NiAl涂層的磨損率在600 ℃時達到最大值，而NAVC涂層則在400 ℃下達到最大值[>10?4mm3/(N?m)]，且600 ℃后復(fù)合涂層的磨損率明顯低于純NiAl涂層。產(chǎn)生以上差異性的原因可能與NAVC涂層的氧化物添加劑在600 ℃后生成三元氧化物潤滑膜有關(guān)。3種NAVC涂層磨損率的變化趨勢相同，其中NAVC1在整個溫度區(qū)間內(nèi)保持了較好的抗磨性能，室溫下低至4.3×10?5mm3/(N?m)，800 ℃下為5.1×10?5mm3/(N?m)，但400 ℃達到最高值11.7×10?5mm3/(N?m)，這相對之前的工作[12-14]，具有較好的性能。NAVC涂層摩擦因數(shù)和磨損率的變化并不相同，摩擦因數(shù)與磨損率在低溫段（RT～200 ℃）的升高可能與NiAl氧化生成了硬質(zhì)相 NiO 和Al2O3，并引起劇烈摩擦有關(guān)。隨溫度升高至400 ℃時，低熔點氧化物（V2O5熔點680 ℃）開始發(fā)生軟化，使得涂層表面生成易剪切的摩擦層，在降低摩擦因數(shù)的同時，加劇了塑性變形和磨粒磨損。600～800 ℃下，隨溫度的升高，三元氧化物潤滑膜開始生成，磨損率和摩擦因數(shù)同時下降。NAVC1具有較好的耐磨性能可能與氧化物含量較少，涂層具有較好的力學(xué)性能有關(guān)。涂層氧化物含量過大導(dǎo)致的低結(jié)合力和低硬度增加了磨損率。由以上分析可知，適當(dāng)添加V2O5/CuO復(fù)合氧化物能夠明顯提升NiAl涂層的室溫和高溫摩擦學(xué)性能，而這可能歸于以下原因：V2O5和CuO屬于軟質(zhì)氧化物，剪切強度低；V2O5具有層狀結(jié)構(gòu)，兩者在低溫下具有良好的潤滑性能；在高溫下，據(jù)Erdemir的晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，V2O5和CuO易生成具有良好潤滑性能的三元氧化物，且氧化物在較高溫度區(qū)間內(nèi)會發(fā)生軟化（材料的軟化發(fā)生在熔點的0.4～0.7倍之間）并形成氧化物摩擦層，起到了潤滑作用[24-25]。

2.3 磨損表面形貌分析

圖5給出了各溫度下NAVC涂層的磨損形貌。室溫下磨痕表面（圖5a1、圖5b1、圖5c1）分布大量的微裂紋，其中NAVC2和NAVC3表面（圖5b1、圖5c1）有明顯的剝落，這可能是由于等離子噴涂沉積片層間的結(jié)合力較弱，在磨擦作用下，裂紋在剪切應(yīng)力最大的亞表面萌生，沿片層擴展，最終到達表面[22,26]，當(dāng)裂紋貫穿后，會形成分層和剝落。NAVC1（圖5a1）只存在少量的剝落痕跡，犁溝大量存在，造成NAVC1磨損的主要原因是磨粒磨損，而NAVC2和NAVC3（圖5b1、圖5c1）則以剝層磨損為主。200 ℃下所有涂層（圖5a2、圖5b2、圖5c2）的磨損形貌變得粗糙，表面有大量剝落坑和犁溝分布，磨損機理主要為磨粒磨損和剝層磨損，這對應(yīng)了3種NAVC涂層逐漸增大的磨損率。400 ℃時，涂層表面（圖5a3、圖5b3、圖5c3）存在大量由磨屑擠壓形成的不連續(xù)的摩擦層，這種摩擦層能有效降低摩擦因數(shù)，但磨粒磨損嚴重，這解釋了該溫度下摩擦因數(shù)降低而磨損率升高的原因。當(dāng)溫度升至600 ℃時，NAVC涂層表面（圖5a4、圖5b4、圖5c4）出現(xiàn)了明顯的脆-塑轉(zhuǎn)變，表面變得光滑且有不連續(xù)的潤滑膜產(chǎn)生，摩擦因數(shù)進一步降低。NAVC1表面（圖5a4）出現(xiàn)了潤滑膜剝離現(xiàn)象，主要磨損機理為剝層磨損和塑性變形。而NAVC2和NAVC3（圖5b4、圖5c4）涂層磨損面上散布有少量的磨屑和犁溝，磨損機理為塑性變形和磨粒磨損。磨粒磨損的存在，對應(yīng)了NAVC2和NAVC3涂層較高的磨損率。800 ℃下NAVC涂層均有連續(xù)致密的潤滑膜覆蓋，潤滑膜的生成有效改善涂層的高溫摩擦學(xué)性能，主要磨損機理為塑性變形。

2.4 磨損表面物相分析

圖6給出了各溫度下NAVC1涂層的XRD圖譜。在400 ℃以下涂層的主要物相為CuO、V2O5、Ni、NiO。當(dāng)溫度達到600 ℃時，衍射峰開始發(fā)生明顯的變化，出現(xiàn)了CuV2O6、Cu3V2O8、Ni3V2O8等新生相。釩酸銅類氧化物通常具有良好的潤滑性能[24]，這主要歸因于釩酸鹽易剪切的層狀結(jié)構(gòu)和較低的V—O鍵能[27-29]。800 ℃時，各新生相的衍射峰明顯增強，三元氧化物含量增加，這解釋了該溫度下磨痕形貌的光滑和致密。為了詳細考察物相隨溫度的變化，對磨痕用拉曼光譜儀進行進一步分析，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)室溫時出現(xiàn)了CuO和V2O5的特征峰，待升溫至200 ℃后，出現(xiàn)了強烈的NiO吸收峰，這對應(yīng)了此溫度下涂層磨損率和摩擦因數(shù)的升高。600 ℃時圖譜開始出現(xiàn)明顯變化，在141 cm?1和256 cm?1處出現(xiàn)了Cu3V2O8的特征峰，290 cm?1和385 cm?1處的峰歸于CuV2O6，824 cm?1處出現(xiàn)了明顯的Ni3V2O8特征峰。這意味著在600 ℃時，摩擦表面開始生成三元氧化物，這與此溫度下磨痕出現(xiàn)不連續(xù)的潤滑膜相對應(yīng)。

圖8給出了800 ℃下磨損表面、未磨損區(qū)域和對偶試樣轉(zhuǎn)移膜的Raman圖譜。通過圖8a能夠清楚發(fā)現(xiàn)，800 ℃下磨痕內(nèi)部圖譜上三元氧化物峰強明顯加強，主要由CuV2O6、Cu3V2O8、Ni3V2O8、CuO、NiO、V2O5構(gòu)成，但磨痕外部無明顯三元氧化物吸收峰，這說明三元氧化物的生成歸因于高溫摩擦誘導(dǎo)形成。這些氧化物在高溫下共同作用，使得涂層的摩擦學(xué)性能明顯提升。而對偶面上的轉(zhuǎn)移膜以CuV2O6、CuO和Ni3V2O8為主（圖8b）。轉(zhuǎn)移膜的出現(xiàn)使得摩擦副之間發(fā)生隔離，避免了直接接觸和異質(zhì)間的摩擦，這不但能夠減小摩擦因數(shù)，而且可以降低磨損率[30]。

圖5 NAVC涂層在不同溫度下的磨痕形貌

圖6 各溫度下 NAVC1復(fù)合涂層磨痕的 XRD圖譜

圖7 NAVC1復(fù)合涂層在RT～600 ℃下的磨損表面拉曼圖譜

圖8 NAVC1在800 ℃下的磨痕內(nèi)部和外部的拉曼圖譜（a）及對偶球磨損表面的拉曼圖譜（b）

3 結(jié)論

1）等離子噴涂NiAl-V2O5/CuO復(fù)合涂層由片層狀粒子交疊構(gòu)成。隨氧化物含量的升高，涂層孔隙率上升，具有較差力學(xué)性能的氧化物片層數(shù)目增加，導(dǎo)致涂層的結(jié)合強度和硬度明顯降低，但總體結(jié)合強度保持在35 MPa以上。3種涂層在經(jīng)過長時間的高溫氧化試驗后，其結(jié)合強度有不同程度的下降，這與基體材料在高溫下的氧化有關(guān)。經(jīng)過試驗，氧化物添加量為10%時，涂層相較于其余2種配比具有更好的力學(xué)性能，且在經(jīng)過高溫氧化后仍然保持了較高的結(jié)合強度。

2）V2O5/CuO的添加能夠有效改善涂層的室溫和高溫摩擦學(xué)性能，其中添加10% V2O5/CuO的NiAl涂層與其余2種配比涂層相比，具有較好的室溫和高溫摩擦學(xué)性能，RT和800 ℃時的摩擦因數(shù)分別低至0.39和0.21，磨損率分別為4.3×10?5mm3/(N?m)和5.1×10?5mm3/(N?m)。

3）低熔點的氧化物V2O5和CuO的復(fù)配添加有利于改善復(fù)合涂層室溫時的摩擦因數(shù)，而高溫（800 ℃）下摩擦因數(shù)和磨損率的降低主要歸因于磨損表面生成由Ni3V2O8、Cu3V2O8、CuV2O6、NiO等物相組成的潤滑膜的協(xié)同潤滑作用，同時對偶表面形成了以CuV2O6、CuO和Ni3V2O8為主的轉(zhuǎn)移膜，這些膜層能夠?qū)⒛Σ粮狈指簦瑥亩鸬綕櫥瑴p摩的作用。

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Tribological Behaviors of Plasma Sprayed NiAl-V2O5/CuO Composite Coatings at Wide Temperature Range

1,2,2,3,1,2,2,2

(1. Co-constructing State Key Laboratory by Province of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metal, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. College of Mechanical & Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China; 3. State Key Laboratory of Solid Lubrication, Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

This work aims to design and prepare NiAl based high temperature lubricating and wear-resistant coatings with good tribological properties in a wide temperature range using V2O5and CuO as composite lubricating phases. The composite coatings with different mass ratios are fabricated by atmospheric plasma spraying technology (APS), and investigated tribological properties in a wide temperature range (RT～800 ℃); used SEM (scanning electron microscope), XRD (X-ray diffraction) and Raman (laser Raman scattering) to analyze the friction surface structure, phase change and wear mechanism of the coating in a wide temperature range. The composite coating is a typical plasma sprayed layered structure, and the oxide distribution is relatively uniform. With the increase of oxide content, the porosity of the coating increases; The composite coating has good lubrication performance in a wide temperature range. The friction coefficients of nial-10wt.% V2O5/CuO coating at room temperature and high temperature (800 ℃) are as low as 0.39 and 0.21 respectively. The wear rate increases with the increase of composite oxide content, but it is low at room temperature and high temperature. The wear rate of composite coating added with 10wt.% V2O5/CuO is 4.3×10?5mm3/(N?m) and 5.1×10?5mm3/(N?m) at room temperature and high temperature respectively. High temperature friction promotes the formation of ternary oxides Ni3V2O8,Cu3V2O8and CuV2O6. These new phases form a lubricating layer on the wear surface with Cuo, V2O5and NiO. The combination of V2O5/CuO significantly improved the tribological properties of the coating at room temperature and high temperature, but with the increase of oxide content, the mechanical properties of the coating decreased and the wear rate increased. The obvious improvement of the lubricating performance of the coating at high temperature is attributed to the ternary oxide high temperature lubricating film formed on the wear surface.

atmospheric plasma spraying; oxide; wide temperature range; friction; lubrication; wear mechanism

TH117

A

1001-3660(2022)04-0112-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.04.010

2021-02-05；

2021-08-19

2021-02-05；

2021-08-19

國家自然科學(xué)基金（51575505，51675508）；陜西省重點研發(fā)計劃項目（2019GY-173）

The National Natural Science Foundation of China (51575505, 51675508); Key R & D Projects of Shaanxi Province (2019GY-173)

茍海龍（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向為高溫潤滑耐磨涂層。

GOU Hai-long (1994—), Male, Postgraduate, Research focus: high temperature lubrication coatings.

賈均紅（1974—），男，博士，教授、博導(dǎo)，主要研究方向為摩擦學(xué)及表面技術(shù)。

JIA Jun-hong (1974—), Male, Ph. D., Professor, Ph. D. supervisor, Research focus: tribology and surface technology.

茍海龍, 賈均紅, 陳體軍, 等. 等離子噴涂NiAl-V2O5/CuO復(fù)合涂層的寬溫域摩擦學(xué)行為[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(4): 112-120.

GOU Hai-long, JIA Jun-hong, CHEN Ti-jun, et al. Tribological Behaviors of Plasma Sprayed NiAl-V2O5/CuO Composite Coatings at Wide Temperature Range[J]. Surface Technology, 2022, 51(4): 112-120.

責(zé)任編輯：萬長清