婁旭耀, 周 波, 宋 英, 陸小龍
(1. 河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院, 河南 鄭州 450016;2. 常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 常熟 215500;3. 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215137)
航空航天、石油化工、海洋船舶等重大裝備中存在大量關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副零部件,其在重載、強(qiáng)沖刷等服役環(huán)境中常因快速磨損而失效,嚴(yán)重降低裝備的服役壽命[1-2]。為此,在上述零部件表面制備具有優(yōu)異耐磨性能的防護(hù)涂層,是提升零部件性能和服役壽命的有效方法之一[3-6]。
Ni3Al金屬間化合物為有序的面心立方L12結(jié)構(gòu)(其有序/無序轉(zhuǎn)變溫度在熔點(diǎn)附近),其熔點(diǎn)為1395 ℃,具有良好的抗高溫疲勞和抗高溫氧化性能,特別是具有反常的屈服強(qiáng)度-溫度關(guān)系(屈服強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能隨溫度的升高不降反升,且在700~900 ℃溫度范圍達(dá)到屈服強(qiáng)度峰值)[7-9]。因此,Ni3Al金屬間化合物是一種極具潛力的高溫耐磨涂層候選材料[10-11]。但是,Ni3Al材料較差的加工性能,很大程度上限制了其作為涂層材料的工程應(yīng)用[12-14]。
氮化硼納米片(Boron nitride nanoplatelet, BNNP)是由單層的硼原子和氮原子以sp2雜化軌道組成的呈蜂巢結(jié)構(gòu)的二維層狀納米材料,具有優(yōu)異的力學(xué)性能(彈性模量700~900 GPa、屈服強(qiáng)度~35 GPa)、大比表面積、低的密度(2.1 g/cm3)以及自潤(rùn)滑性能[15-17]。更為重要的是,相比于石墨烯較低的氧化溫度(~450 ℃),BNNP在~950 ℃高溫環(huán)境中可保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,這為其在等離子噴涂高溫制備過程中保持其結(jié)構(gòu)完整性提供了保障[15]??梢?,六方BN納米片優(yōu)異的力學(xué)性能及良好的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,無疑是高溫結(jié)構(gòu)材料中更為理想的納米增強(qiáng)相和自潤(rùn)滑相。因此,BNNP有望成為Ni3Al涂層中極具潛力的增強(qiáng)相和自潤(rùn)滑相。然而,國(guó)內(nèi)外目前對(duì)BNNP增強(qiáng)復(fù)合涂層的研究尚處于起步階段。
本文通過噴霧造粒制備球形Ni-Al和BNNP/Ni-Al團(tuán)聚顆粒,并采用等離子噴涂技術(shù)制備Ni3Al和BNNP增強(qiáng)Ni3Al復(fù)合涂層,研究添加BNNP對(duì)涂層的顯微硬度和摩擦磨損性能的影響。結(jié)合涂層磨損表面、磨屑和對(duì)磨球的磨損形貌,進(jìn)一步分析了BNNP/Ni3Al復(fù)合涂層的磨損機(jī)理。
首先將鎳粉和鋁粉按照85∶15(質(zhì)量比)球磨后得到Ni-Al混合粉末,將氮化硼納米片(BNNP)放入異丙醇溶液中超聲分散。隨后,把Ni-Al混合粉末和BNNP分散液用均質(zhì)機(jī)攪拌混合后得到BNNP/Ni-Al混合粉末,其中BNNP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。采用噴霧干燥技術(shù),獲得等離子噴涂用BNNP/Ni-Al球形團(tuán)聚顆粒。
將Ti6Al4V合金基體表面進(jìn)行噴砂處理,然后用無水乙醇清洗并吹干。采用配有SG-100噴槍的3710M等離子噴涂系統(tǒng)在Ti6Al4V合金基體表面制備BNNP/Ni3Al復(fù)合涂層(NA-BNNP涂層),同時(shí)制備出Ni3Al涂層(NA涂層)作為對(duì)比試樣。等離子噴涂參數(shù):電流800 A、電壓40 V、主氣Ar氣流量35 slpm、輔氣He氣流量35 slpm、載氣Ar氣流量7 slpm和噴涂距離80 mm。
采用Siemens D5000型X射線衍射儀器對(duì)涂層表面進(jìn)行物相分析,利用JEOL JSM-6330F掃描電鏡對(duì)涂層的橫截面和斷面進(jìn)行顯微組織觀察。采用HXD-1000TMC顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層的橫截面硬度,載荷砝碼為200 g,保載時(shí)間為10 s。選擇HT-1000球盤式干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)NA和NA-BNNP涂層表面進(jìn)行摩擦性能測(cè)試,測(cè)試前用400目砂紙打磨涂層表面,隨后用無水乙醇清洗并吹干,試驗(yàn)條件:對(duì)磨件為A2O3球(直徑φ4 mm),精度為G20,載荷20 N,轉(zhuǎn)速1200 r/min,磨痕半徑2 mm,線速度15.1 m/min,滑動(dòng)行程151 m。為確保試驗(yàn)精確,每個(gè)試樣至少測(cè)3次。試驗(yàn)結(jié)束后,用導(dǎo)電膠收集磨屑,在掃描電鏡下觀察涂層和對(duì)磨球磨損表面及磨屑形貌。采用儀器自帶表面輪廓儀測(cè)量涂層表面磨痕,并根據(jù)公式(1)計(jì)算涂層的磨損率,即:
W=V/(LS)
(1)
式(1)中:W為磨損率;V為磨損體積;L為作用載荷;S為滑動(dòng)行程。
NA和NA-BNNP涂層的XRD結(jié)果如圖1所示??梢钥闯?,涂層主要物相為Ni3Al和少量的氧化物Al2O3。這主要是由于原始的噴涂喂料經(jīng)過等離子焰流后形成熔滴,熔滴內(nèi)的Ni與Al可以在高溫下發(fā)生原位反應(yīng)形成Ni3Al[18-19],同時(shí),涂層中少量的Al會(huì)發(fā)生氧化產(chǎn)生Al2O3。此外,在NA-BNNP涂層上觀察到BNNP的(0002)晶面的衍射峰,說明BNNP經(jīng)過高溫等離子焰流后仍然可以保留下來。
圖2是NA和NA-BNNP涂層的橫截面SEM圖,可見涂層具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)特征,且涂層內(nèi)主要由灰色和少量條狀黑色物相組成。對(duì)比NA涂層,添加BNNP的復(fù)合涂層的橫截面上黑色的條狀物相明顯減少。對(duì)NA涂層的橫截面進(jìn)行EDS分析,發(fā)現(xiàn)灰色物相Ni、Al、O的原子分?jǐn)?shù)分別為78%、18%和4%,黑色物相Ni、Al、O的原子分?jǐn)?shù)分別為9%、56%和35%。結(jié)合XRD分析結(jié)果,有理由認(rèn)為灰色物相主要是原位反應(yīng)合成的Ni3Al,而黑色條狀物相為Al2O3。由于BNNP大的比表面積和優(yōu)異的高溫抗氧化性能,在等離子噴涂過程中,均勻分散在熔滴內(nèi)的BNNP可阻礙氧原子的擴(kuò)散,抑制Ni和Al發(fā)生氧化,使得NA-BNNP復(fù)合涂層內(nèi)黑色條狀相(氧化物含量)明顯下降[20]。
圖2 NA涂層(a)和NA-BNNP(b)涂層橫截面SEM圖
圖3為NA-BNNP涂層斷面的SEM圖。在等離子噴涂過程中,等離子噴涂喂料經(jīng)過等離子焰流的加熱形成熔融或半熔融狀態(tài)的液滴,同時(shí)液滴高速撞擊到基體表面,隨后熔融或半熔融狀態(tài)的液滴在沖擊力的作用下,在基體表面迅速鋪展并快速凝固形成扁平粒子。隨著這些扁平粒子的不斷堆垛,扁平粒子與基體表面以及扁平粒子與扁平粒子之間就會(huì)相互交錯(cuò)地粘結(jié)在一起而形成具有明顯層狀結(jié)構(gòu)的涂層,如圖3(a)所示。同時(shí),圖3(a)局部區(qū)域的高倍SEM照片表明,BNNP分布在涂層內(nèi),如圖3(b)所示。這主要得益于等離子噴涂喂料制備過程中BNNP分散液的攪拌及噴霧干燥,可以使得BNNP能夠較好地分布在噴涂喂料內(nèi)[15]。進(jìn)而,在等離子噴涂過程中可均勻地分布在熔滴中,并保留于快速凝固形成的扁平粒子表面及內(nèi)部。值得注意的是,顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明,相比于NA涂層硬度(325±28) HV0.2,NA-BNNP涂層的顯微硬度為(384±43) HV0.2,提升了~18%。上述結(jié)果充分說明,BNNP優(yōu)異的力學(xué)性能及其大比表面積的二維層狀結(jié)構(gòu)特征,可使復(fù)合材料涂層獲得有效的強(qiáng)化。
圖4是NA和NA-BNNP涂層的摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)距離變化的曲線及磨損表面輪廓形貌。對(duì)比NA涂層的摩擦因數(shù)為0.38±0.03,復(fù)合材料涂層的摩擦因數(shù)降低至 0.34±0.02,如圖4(a)所示,這主要緣于BNNP本身優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能。兩種涂層磨損表面輪廓測(cè)試結(jié)果表明,復(fù)合材料涂層磨痕深度和寬度明顯減小,如圖4(b)所示。NA涂層的磨損速率約為(23.2±0.9)×10-5mm3/(m·N),NA-BNNP復(fù)合材料涂層的磨損速率降低至(9.4±1.7)×10-5mm3/(m·N)。上述結(jié)果充分表明,BNNP的加入,不僅可使復(fù)合材料涂層的耐磨性能顯著提升(提高了約1.5倍),還可在一定程度上降低其摩擦因數(shù),賦予復(fù)合材料涂層良好的減摩耐磨性能。
圖4 涂層的摩擦因數(shù)(a)和磨損表面輪廓(b)
觀察NA涂層的磨損形貌,發(fā)現(xiàn)其表面具有明顯的剝落坑和輕微的顯微犁溝,如圖5(a)所示。從圖5(c)中觀察發(fā)現(xiàn),NA涂層的磨屑主要為片狀和粉末狀磨屑。此外,NA涂層的Al2O3對(duì)磨球具有粗糙的磨損表面,如圖5(e)所示。在滑動(dòng)摩擦磨損過程中循環(huán)應(yīng)力作用下,Ni3Al涂層因其室溫脆性,使其涂層表層和亞表層極易萌生顯微裂紋,進(jìn)而涂層磨損表面發(fā)生脆性斷裂并脫落,形成片狀磨屑及剝落坑。并且,這些片狀磨屑在涂層和對(duì)磨球之間反復(fù)承受碾壓,并斷裂形成一些粉末狀的磨屑,使得涂層進(jìn)一步發(fā)生三體磨粒磨損,對(duì)磨損表面進(jìn)行顯微犁削,形成輕微的犁溝??梢姡琋A涂層的主要磨損機(jī)理是脆性斷裂和三體磨粒磨損。
圖5 NA(a,c,e)和NA-BNNP(b,d,f)涂層摩擦磨損形貌
相反,NA-BNNP涂層磨損表面顯得更為平整,且剝落坑數(shù)量明顯減少,如圖5(b)所示。并且,復(fù)合材料涂層的磨屑則主要以粉末狀,如圖5(d)所示。上述磨損表面特征表明,復(fù)合材料涂層得到磨損機(jī)制主要為輕微的磨粒磨損。復(fù)合材料涂層加入BNNP,不僅可有效抑制微裂紋的萌生及擴(kuò)展,而且復(fù)合材料顯微硬度的提升,還可顯著抵抗對(duì)磨材料表面硬質(zhì)微凸體的顯微切削。此外,對(duì)比兩種涂層對(duì)磨材料的磨損形貌,如圖5(e, f)所示,可以發(fā)現(xiàn)與NA-BNNP涂層配對(duì)的Al2O3對(duì)磨球表面的損傷明顯降低。
滑動(dòng)摩擦磨損過程中,分布于涂層表層和亞表層的二維片狀納米材料BNNP極易在切應(yīng)力作用下發(fā)生機(jī)械剝離并轉(zhuǎn)移至磨損表面,如圖6(a)所示。并且,發(fā)現(xiàn)有些位于磨損表面的BNNP端部發(fā)生卷曲,且其下的涂層磨損形貌隱約可見,如圖6(b)所示。這些轉(zhuǎn)移至磨損表面的BN納米片,不僅可憑借其優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能降低涂層的摩擦因數(shù),更為重要的是,具有優(yōu)異力學(xué)性能(高強(qiáng)度)的BNNP還可充當(dāng)對(duì)磨球和涂層之間的保護(hù)膜,避免兩者的直接接觸、進(jìn)而有效抑制材料在接觸應(yīng)力下的損傷。因此,復(fù)合材料涂層磨損表面BN轉(zhuǎn)移膜的形成,也是其摩擦磨損性能得以顯著改善的重要因素。
圖6 NA-BNNP涂層磨損表面SEM圖
1) 采用等離子噴涂技術(shù)在鈦合金表面成功制備出Ni3Al涂層和BNNP/Ni3Al復(fù)合涂層,涂層物相主要為原位生成的Ni3Al和少量Al2O3。
2) 添加BNNP可以提高涂層的顯微硬度、減摩耐磨性能和減輕對(duì)磨球的磨損。Ni3Al涂層的主要磨損機(jī)理是脆性斷裂和三體磨粒磨損,BNNP增強(qiáng)Ni3Al復(fù)合涂層的主要磨損機(jī)理是和輕微的磨粒磨損,BNNP潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜的形成有益于抑制對(duì)磨偶件的接觸損傷。