杜 偉，韓冰源，崔方方，杭衛(wèi)星，叢孟啟，徐文文，楚佳杰，高祥涵，吳海東

(江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，常州 213001)

0 引 言

磨損是機(jī)械零部件失效的重要形式之一，車用發(fā)動機(jī)工作中磨損的損耗約占損耗總能量的48%[1-2]。目前對于中、小缸徑汽車發(fā)動機(jī)中常用鋁合金活塞，主要通過減少活塞結(jié)構(gòu)質(zhì)量從而減小工作慣性力和對氣缸壁的沖擊力，達(dá)到減小活塞與缸體間磨損程度的目的[3]。目前在國內(nèi)發(fā)動機(jī)活塞中應(yīng)用最廣泛的鋁合金為ZL108鋁合金和ZL109鋁合金。與ZL108鋁合金相比，ZL109鋁合金調(diào)整了元素比例并添加鎳元素，具有更好的高溫耐磨性能，但是在服役過程中仍然會因較大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷而出現(xiàn)力學(xué)性能和磨損性能降低，并最終導(dǎo)致失效的問題[4-5]。

目前主要采用表面改性的方法提高汽車發(fā)動機(jī)鋁合金活塞表面耐磨性，常用表面改性方法中的表面涂覆、氣相沉積、熱處理等熱源溫度較低，對耐磨性的改善效果不明顯[6-8]，且效率低；而等離子噴涂技術(shù)利用熱源將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，經(jīng)過噴槍加速后噴射沉積至基體表面，等離子焰流溫度高、能熔化較多難熔顆粒，具有效率高、適用材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[9-10]。PATELP等[11]研究發(fā)現(xiàn)，利用等離子噴涂技術(shù)在鋁合金活塞表面制備的鉬涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩效果，可提高發(fā)動機(jī)的耐磨性與服役壽命?？琢畛康萚12]研究發(fā)現(xiàn)，利用等離子噴涂技術(shù)在鋁合金活塞表面制備的Al-25Si涂層硬度比基體提高一倍以上，磨損機(jī)制為磨粒磨損并伴有少量黏著磨損，有效地提高了活塞的耐磨性能。邵若男等[13]采用等離子噴涂技術(shù)在鋁合金表面制備Al2O3-Ni涂層，發(fā)現(xiàn)增加Al2O3含量可以提高涂層的耐磨性。陳健等[14]采用等離子噴涂技術(shù)在鋁合金活塞裙部表面制備了鉬涂層，發(fā)現(xiàn)涂層在潤滑狀態(tài)下的耐磨性能比基體優(yōu)異，但在干摩擦條件下的耐磨性較差。采用等離子噴涂技術(shù)在活塞裙部表面制備WC-Co涂層在干摩擦過程的摩擦因數(shù)較穩(wěn)定，有效地降低了活塞裙部外壁與氣缸套內(nèi)壁間的磨損[15]。KRASNYY等[16]采用等離子噴涂方法在內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)表面制備了MoN涂層，發(fā)現(xiàn)與電鍍鉻比較，該涂層改善了工作時(shí)表面的潤滑性，減少了缸套表面的徑向磨損量。上述制備涂層僅有限地提高了發(fā)動機(jī)活塞在高溫服役環(huán)境下的耐磨性能，因此仍需要探尋適用于更寬溫域服役工作范圍的活塞表面改性涂層。鎳基合金相比其他合金，具有更加良好的高溫力學(xué)性能與耐磨損性能，常用于航空發(fā)動機(jī)熱端部件表面強(qiáng)化，因此有望應(yīng)用于車用發(fā)動機(jī)活塞表面性能改進(jìn)研究中?；诖?，作者以常用于活塞的ZL109鋁合金作為基體，采用等離子噴涂技術(shù)在其表面制備Ni60CuMo合金涂層，研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)、物相組成和力學(xué)性能，并探討了該涂層在汽車發(fā)動機(jī)模擬工況下的耐磨性能，以期為發(fā)動機(jī)活塞用鋁合金表面等離子噴涂鎳基合金涂層的工程應(yīng)用提供一定的理論支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

基體材料選用鑄態(tài)ZL109鋁合金，尺寸為30 mm×30 mm×10 mm，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為12Si,1Cu,1.1Mg,1.2Ni,余Al；涂層原料粉選用北京鑫鑄聯(lián)新材料科技有限公司生產(chǎn)的Ni60CuMo合金粉末，平均粒徑約為95 μm，微觀形貌如圖1所示，可知顆粒的形貌近似球形。對基體進(jìn)行超聲清洗，再進(jìn)行噴砂處理后，采用Oerlikon Metco MultiCoATF4型等離子噴涂設(shè)備在其表面制備Ni60CuMo合金涂層，以氬氣作為主要保護(hù)氣體，氫氣作為次要保護(hù)氣體，基于前期工作得到等離子噴涂工藝參數(shù)為送粉速率45 g·min-1,噴涂功率32 kW，噴涂距離140 mm，噴涂電流450 A，氬氣和氫氣流量分別為57,5 L·min-1。

圖1 Ni60CuMo合金粉末的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of Ni60CuMo alloy powder

采用ZEISS Sigma500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的表面和截面微觀形貌，并用SEM附帶能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。利用D8-Venture型單晶X射線衍射儀(XRD)對粉體與涂層的物相組成進(jìn)行分析，采用銅靶，工作電流為25 mA，電壓為60 kV，掃描范圍2θ為20°～80°，掃描速率為3(°)·min-1。采用HVS-1000A型數(shù)顯顯微硬度儀測涂層的截面顯微硬度分布，載荷為0.98 N，保載時(shí)間為15 s，距表面相同距離處測3個(gè)點(diǎn)取平均值。在800倍放大倍數(shù)下隨機(jī)選取5張涂層SEM截面圖像，并對涂層截面孔隙進(jìn)行灰度處理，用ImageJ2x圖像處理軟件計(jì)算孔隙率。在涂層試樣上截取尺寸為20 mm×10 mm×5 mm的磨損試樣，經(jīng)400#、600#、800#、1000#的碳化硅砂紙依次打磨處理，并用酒精超聲清洗后，選用MMQ-02G型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對涂層進(jìn)行圓環(huán)式滑動磨損試驗(yàn)，接觸形式為點(diǎn)接觸，對磨件為直徑5 mm

圖2 涂層表面和截面的微觀形貌、截面選區(qū)EDS譜及表面XRD譜Fig.2 Surface (a) and cross section morphology (b), section selected-area EDS spectrum (c) and surface XRD patterns (d) of coating

的GCr15鋼球，磨損載荷為50 N，轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，磨損時(shí)間為20 min，磨損半徑為1.5 mm；由于活塞服役于高溫、貧/富油狀態(tài)下，最高服役溫度在326～426 ℃間，因此選用溫度區(qū)間內(nèi)的375 ℃，室溫(25 ℃)及苛刻服役溫度450 ℃作為涂層磨損試驗(yàn)溫度，具體潤滑條件和試驗(yàn)溫度如表1所示，潤滑油選用SF 15W-40型汽油機(jī)油，相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行2次平行試驗(yàn)，使用精度為0.1 mg的電子天平對磨損前后試樣的質(zhì)量進(jìn)行稱量，計(jì)算磨損質(zhì)量損失。選用Nanovea型三維形貌儀對磨損后試樣表面三維形貌進(jìn)行觀察，并采用掃描電鏡觀察磨損形貌。

表1 磨損試驗(yàn)的潤滑條件和試驗(yàn)溫度

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌與物相組成

由圖2可知：所制備涂層表面熔滴鋪展?fàn)顩r良好，熔融粒子撞擊至基體表面后經(jīng)堆垛、鋪展后以放射形式、破碎形式凝固，部分熔滴包裹著未熔顆粒，而這些未熔顆粒表面熔滴的冷卻凝固使顆粒間相互結(jié)合從而形成典型層狀結(jié)構(gòu)的涂層；由于部分未熔顆粒堆疊，后續(xù)的熔融粒子未能完全潤濕填充這些不規(guī)則區(qū)域，從而在涂層內(nèi)部形成孔隙[17-18]。基體與涂層界面處結(jié)合較致密，涂層厚度約為300 μm，高倍下觀察發(fā)現(xiàn)涂層內(nèi)部由2種顏色(深灰色、淺灰色)區(qū)域交替重疊構(gòu)成，經(jīng)EDS分析發(fā)現(xiàn)深灰色區(qū)域?yàn)楦汇t區(qū)，淺灰色區(qū)域?yàn)楦绘噮^(qū)。由EDS分析發(fā)現(xiàn)涂層截面無明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，因此涂層與基體間的結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合；同時(shí)選區(qū)中未檢測出氧元素，說明在熔滴飛行過程中未出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，工作氣體對熔滴起到了良好的保護(hù)作用。涂層保留了原料粉末的物相組成，均主要由γ-(Ni,Cr,Fe,Cu)固溶體、FeNi3、Cr7C3、Cr23C6、Mo2C、MoSi2、Fe2Mo等組成。

圖3為涂層截面孔隙形貌及對應(yīng)的灰度圖，統(tǒng)計(jì)得到涂層的平均孔隙率為2.48%。涂層中孔隙形態(tài)多樣，除了分布廣泛的獨(dú)立閉合微孔外，還有少量由多個(gè)微孔交互連通的通孔。由于噴涂時(shí)熔滴包裹未熔顆粒周圍，其堆積和搭接具有隨機(jī)性，因此涂層中極易出現(xiàn)因填充不充分而形成的孔隙聚集現(xiàn)象[19]。

圖3 涂層截面孔隙形貌及對應(yīng)的灰度圖Fig.3 Pore morphology (a) and corresponding gray scale (b) of coating cross section

2.2 硬度分布

由圖4可知，涂層截面顯微硬度呈小范圍波動，其中最高硬度可達(dá)874 HV，最低硬度為735 HV，平均硬度為792.91 HV，基體的平均硬度約為123 HV，涂層的硬度為基體的6倍以上。在涂層中分富鎳區(qū)與富鉻區(qū)，富鉻區(qū)分布不均勻，硬度測試時(shí)壓痕的隨機(jī)性使得顯微硬度出現(xiàn)波動。在施加載荷初期，壓痕處孔隙等微缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋，在壓應(yīng)力作用下壓痕長度增加，因此硬度較小。涂層的孔隙等微缺陷主要集中在涂層中間部分，因此中間部分的硬度較低。在粒子撞擊的夯實(shí)作用下涂層近表層處的加工硬化效果增強(qiáng)，因此顯微硬度較高。

圖4 涂層試樣的截面硬度分布曲線及涂層的壓痕形貌Fig.4 Section hardness distribution curve of coating sample (a) and indentation morphology of coating (b-c):(b) minimum microhardness and (c) maximum microhardness

2.3 摩擦磨損性能

由圖5可知：在不同潤滑條件下涂層在試驗(yàn)前期0～150 s時(shí)間內(nèi)的摩擦因數(shù)急劇增加并隨之在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，而后又出現(xiàn)波動現(xiàn)象，其中干摩擦條件下涂層的摩擦因數(shù)較大，且波動較大，這是因?yàn)榇藭r(shí)涂層與對磨件間無潤滑液和保護(hù)膜，表面直接接觸，磨損劇烈。隨著試驗(yàn)溫度由25 ℃升高至450 ℃，涂層的平均摩擦因數(shù)降低。油潤滑條件下涂層的摩擦因數(shù)更加平穩(wěn)，平均摩擦因數(shù)偏低，并且摩擦因數(shù)達(dá)到平穩(wěn)階段所需時(shí)間較短，短于100 s，說明潤滑油在涂層與對磨件之間形成的油膜起到了減摩耐磨的效果；油膜使涂層與對磨件表面分離，發(fā)生流體潤滑，在壓力作用下，部分潤滑油進(jìn)入涂層孔隙中起到了儲油作用，為摩擦表面持續(xù)提供油膜所需的潤滑油，使表面油膜不易破損[20]；450 ℃時(shí)涂層的平均摩擦因數(shù)最低，表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩效果。

圖5 不同試驗(yàn)條件下涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線以及平均摩擦因數(shù)Fig.5 Friction coefficient of coating vs time under different test conditions (a) and average friction coefficient (b)

由圖6可以看出：涂層的磨損質(zhì)量損失隨試驗(yàn)溫度的升高和油潤滑條件的施加而減小，而基體的磨損質(zhì)量損失隨試驗(yàn)溫度升高而增大，但施加潤滑油后磨損質(zhì)量損失略微減小，對比發(fā)現(xiàn)施加潤滑油后涂層耐磨性提升的程度比基體顯著；相同試驗(yàn)溫度和潤滑條件下涂層的磨損質(zhì)量損失明顯低于基體，在450 ℃油潤滑條件下涂層的磨損質(zhì)量損失僅為7.35 mg，為基體的1/4左右，說明涂層具有優(yōu)異的耐磨性能。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在450 ℃油潤滑條件下涂層磨痕的最大峰高為46.9 μm，基體磨痕的最大峰高為155.7 μm，涂層磨痕很淺，進(jìn)一步說明涂層在高溫下具有優(yōu)異的耐磨性能。

圖6 不同試驗(yàn)條件下涂層和基體的磨損質(zhì)量損失Fig.6 Wear mass loss of coating and substrate under differenttest conditions

圖7 450 ℃油潤滑條件下涂層與基體的磨損表面三維形貌Fig.7 Wear surface three-dimensional morphology of coating (a) and substrate (b) under 450 ℃ oil lubrication condition

由圖8可知，在25 ℃干摩擦條件下涂層表面磨損嚴(yán)重，涂層剝落痕跡明顯，并且因涂層內(nèi)硬質(zhì)相分布不均勻造成其表面磨痕較粗糙。當(dāng)干摩擦條件下的試驗(yàn)溫度升至375 ℃時(shí)，對表面磨損產(chǎn)生的零星分布的深灰色區(qū)域進(jìn)行EDS分析后，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域主要為鐵的氧化物，由于涂層中鐵含量較少，而經(jīng)磨損后表面鐵元素含量顯著增加，說明磨損過程中涂層表面與對磨件出現(xiàn)了材料轉(zhuǎn)移，隨磨損時(shí)間延長，轉(zhuǎn)移的材料逐漸積聚而形成含鐵氧化物轉(zhuǎn)移層；雖然該轉(zhuǎn)移層能夠在一定程度上緩解涂層的磨損，但由于氧化物在硬度高的同時(shí)，其脆性也較大，在高溫下的相對切向運(yùn)動中易使涂層發(fā)生斷裂，轉(zhuǎn)移層也會出現(xiàn)剪切斷裂[21]，從而在涂層磨損表面出現(xiàn)氧化物剝落的痕跡以及因切向應(yīng)力作用而形成的垂直于摩擦方向的微裂紋。隨著干摩擦條件下的試驗(yàn)溫度升高至450 ℃，磨損表面轉(zhuǎn)移層面積較大，垂直于滑動方向的裂紋寬度減小，因轉(zhuǎn)移層的磨損而在涂層表面形成碎屑。氧化物轉(zhuǎn)移層的形成說明在高溫干摩擦下涂層表現(xiàn)出黏著磨損與氧化磨損的復(fù)合特征。

在油潤滑條件下涂層表面的磨損程度較輕，在25 ℃和375 ℃下磨損表面出現(xiàn)犁溝、劃痕以及剝落顆粒損傷痕跡，在對磨件剪切應(yīng)力循環(huán)作用下顆粒剝落，并在潤滑油的包裹下以及對磨件施加的正應(yīng)力作用下，對涂層表面進(jìn)行研磨，起到了磨料的作用[22]；375 ℃下磨損表面還出現(xiàn)了橘皮狀氧化物碎片，這是由于在噴涂過程中部分熔滴動能不足而撞擊基體不充分，層間內(nèi)聚力較差，在磨損中易發(fā)生片層狀剝落，但對磨件部分正應(yīng)力發(fā)揮的“夯實(shí)”效應(yīng)使橘皮狀氧化物碎片未徹底剝離于涂層表面。因此，在油潤滑條件下25 ℃時(shí)涂層的磨損機(jī)制為磨粒磨損，而375 ℃下的磨損機(jī)制為磨粒磨損及黏著磨損。450 ℃時(shí)涂層磨損表面更加平整，沒有明顯的犁溝、劃痕等磨粒磨損的痕跡，磨損程度最輕，此時(shí)涂層的磨損機(jī)制以黏著磨損為主。

圖8 不同試驗(yàn)條件下涂層的表面磨損形貌Fig.8 Surface wear morphology of coating under different test conditions

3 結(jié) 論

(1) 采用等離子噴涂技術(shù)在ZL109鋁合金表面制備的Ni60CuMo合金涂層由富鉻區(qū)和富鎳區(qū)交替重疊構(gòu)成，與基體間無明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，涂層與基體間的結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合；涂層的物相組成與Ni60CuMo合金粉末相同，主要由γ-(Ni,Cr,Fe,Cu)固溶體、FeNi3、Cr7C3、Cr23C6、Mo2C、MoSi2、Fe2Mo等組成；涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率為2.48%；涂層的平均顯微硬度為792.91 HV，為鋁合金基體的6倍以上。

(2) 與干摩擦條件相比，油潤滑條件下涂層具備更平穩(wěn)的摩擦因數(shù)以及更低的磨損質(zhì)量損失，且隨試驗(yàn)溫度的升高，摩擦因數(shù)和磨損質(zhì)量損失均降低，耐磨性能更好；450 ℃油潤滑條件下涂層的平均摩擦因數(shù)為0.037，磨損質(zhì)量損失為7.35 mg，僅為基體的1/4左右，涂層具有優(yōu)異的耐磨性能。

(3) 干摩擦條件下25 ℃磨損時(shí)涂層出現(xiàn)剝落失效，375,450 ℃磨損時(shí)涂層磨損機(jī)制為氧化磨損與黏著磨損；油潤滑條件下25 ℃磨損時(shí)涂層主要發(fā)生磨粒磨損，375 ℃磨損時(shí)的磨損機(jī)制為磨粒磨損及黏著磨損，450 ℃時(shí)涂層磨損表面平整，磨損機(jī)制以黏著磨損為主。