鄧 雯，唐 霖，齊 慧

(西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

0 引 言

工件表面的性能直接關(guān)系到現(xiàn)代機(jī)械零部件的安全和使用壽命；利用表面工程技術(shù)對(duì)零部件表面進(jìn)行保護(hù)和強(qiáng)化，能夠延長(zhǎng)其使用壽命，并使之能在更加苛刻的環(huán)境中工作[1-3]。MCrAlY(M可為Ni、Co或NiCo)合金涂層由于具有優(yōu)異的抗高溫氧化、耐熱腐蝕和耐磨損等性能而廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車(chē)和能源等領(lǐng)域[4-6]。為了進(jìn)一步提高M(jìn)CrAlY涂層的高溫抗氧化和耐磨損等性能，研究者們進(jìn)行了大量試驗(yàn)，如在MCrAlY涂層體系中添加改性元素鋯、硅、鉭、錸等，其中添加硅元素的MCrAlY涂層是一種重要的抗氧化防護(hù)涂層[7-10]。利用熱噴涂技術(shù)制備的CoCrAlSiY合金涂層在耐高溫氧化和耐腐蝕方面的研究報(bào)道較多[9,11-12]，在摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究則有限。在摩擦過(guò)程中，鉻元素會(huì)在摩擦界面形成連續(xù)致密的Cr2O3[13]，鋁元素同樣會(huì)氧化形成穩(wěn)定完整的氧化膜[14]，且在高溫環(huán)境下，Al2O3膜具有生長(zhǎng)速率慢、化學(xué)穩(wěn)定性好、揮發(fā)性低等優(yōu)點(diǎn)[14]；這些硬質(zhì)顆粒或氧化物膜的出現(xiàn)有利于提高材料的耐磨性能[15]。由此推測(cè)，CoCrAlSiY合金涂層除了具有良好的耐腐蝕和抗氧化性能外，還有望擁有優(yōu)異的摩擦磨損性能。為此，作者以Co-29Cr-6Al-2Si-0.3Y(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)合金粉末為原料，采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備了CoCrAlSiY合金涂層，研究了該涂層的微觀結(jié)構(gòu)和耐磨性能，以期為CoCrAlSiY合金涂層在機(jī)械零部件中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

涂層原料為Co-29Cr-6Al-2Si-0.3Y(簡(jiǎn)記為CoCrAlSiY)合金粉末，粒徑約為38 μm，由美國(guó)Sulzer-Metco公司提供；其顆粒呈球形或近球形，如圖1所示?；w材料為316L不銹鋼，尺寸為φ25 mm×7.8 mm。采用GS-943型噴砂機(jī)對(duì)基體進(jìn)行噴砂處理,直至表面粗糙度Ra約為1.42 μm，再進(jìn)行超聲清洗。采用Diamond Jet type 2700型超音速火焰噴涂設(shè)備，通過(guò)搭載IRB2400型六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械手在基體表面制備CoCrAlSiY合金涂層，基體溫度低于150 ℃，氧氣流量為19.8 m3·h-1，燃?xì)?天然氣)流量為13.5 m3·h-1，空氣流量為18.7 m3·h-1，合金粉末噴涂速率為25 g·min-1，噴槍移動(dòng)速度為800 mm·s-1，噴槍到基體表面的距離為28 cm，涂層厚度約為300 μm。

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

采用JSM-7800F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層拋光前后的表面形貌以及截面形貌，使用附帶的能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。采用X′Pert PRO型X射線衍射儀(XRD)分析原料粉末和涂層的物相組成，工作電流為150 mA，工作電壓為40 kV，測(cè)試范圍為10°～90°。

依次使用600#，1000#，1500#SiC砂紙對(duì)涂層進(jìn)行拋光處理，拋光后涂層的表面粗糙度約為0.04 μm，隨后在CSM型往復(fù)式球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨件為直徑6 mm的Al2O3球，試驗(yàn)溫度為(20±5) ℃，相對(duì)濕度為(30±5)%，滑動(dòng)速度為10 cm·s-1，振幅為2.5 mm，總滑動(dòng)距離為150 m，試驗(yàn)載荷分別為2，5，8 N，對(duì)應(yīng)的最大赫茲壓力分別為0.97，1.31，1.54 GPa。試驗(yàn)結(jié)束后，用MicroXAM-800型非接觸式三維輪廓儀測(cè)量涂層的磨痕尺寸和磨損體積，計(jì)算磨損率，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：K為磨損率；V為磨損體積；P為法向載荷；L為總滑動(dòng)距離。

使用JSM-7800F型SEM觀察涂層磨損表面形貌，用Horiba-Scientific-LabRAM型高分辨拉曼光譜儀分析磨損表面的物相組成。

采用NHT02-05987型納米壓痕儀對(duì)CoCrAlSiY涂層和Al2O3對(duì)磨球進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)，對(duì)CoCrAlSiY涂層施加10 mN載荷，對(duì)Al2O3對(duì)磨球施加20 mN載荷，保載時(shí)間均為10 s，獲得納米壓痕硬度和彈性模量等參數(shù)，每組測(cè)試至少重復(fù)8次取平均值。由測(cè)試得到的載荷-位移曲線計(jì)算彈性恢復(fù)率[16]，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Wrec為彈性恢復(fù)率；dmax為最大位移；dres為殘余位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌和顯微組織

由圖2可以看出：CoCrAlSiY合金涂層表面粗糙，含有大量熔融粉末沖擊所產(chǎn)生的薄餅狀結(jié)構(gòu)，這表明CoCrAlSiY合金粉末已經(jīng)完全熔化并且很好地沉積在基體上；涂層截面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔、裂紋或其他缺陷，呈現(xiàn)出非常致密的結(jié)構(gòu)。

圖2 CoCrAlSiY合金涂層的表面和截面SEM形貌Fig.2 SEM micrographs of surface (a) and cross-section (b) of CoCrAlSiY alloy coating

由圖3可以看出：拋光處理后CoCrAlSiY合金涂層表面呈現(xiàn)出由熔融顆粒形成的致密結(jié)構(gòu)，涂層組織主要由黑色相和灰白色相組成；涂層中主要含有鈷、鉻、鋁、硅和釔元素，計(jì)算得到其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為62.6%，28.7%，7.1%，1.5%，0.1%，與原料粉末中各元素含量對(duì)應(yīng)；黑色相主要富含鋁元素，灰白色相則含有更多的鈷和鉻元素。

圖3 CoCrAlSiY合金涂層拋光表面的SEM形貌和元素面分布Fig.3 SEM micromorphology (a) and element mappings (b-f) of polished surface of CoCrAlSiY alloy coating

由圖4可以看出：CoCrAlSiY合金粉末主要包含CoAl和Co3Al兩種金屬間化合物；通過(guò)超音速火焰噴涂技術(shù)制備成涂層后Co3Al金屬間化合物的衍射峰消失，出現(xiàn)了α-Al2O3和CoCr2O4氧化物的衍射峰，這表明該涂層在沉積過(guò)程中發(fā)生了輕微的氧化。同時(shí)，結(jié)合圖3可以得到，涂層中的灰白色相主要對(duì)應(yīng)著CoCr2O4和CoAl，而黑色相主要對(duì)應(yīng)的是α-Al2O3，各物相分布均勻。

圖4 CoCrAlSiY合金粉末及其涂層的XRD譜Fig.4 XRD patterns of CoCrAlSiY alloy powder and its coating

2.2 力學(xué)性能

摩擦磨損發(fā)生在材料的表面或界面，材料表面的力學(xué)性能是影響其摩擦磨損性能的重要因素。此外，材料塑性變形能力和彈性恢復(fù)率也會(huì)對(duì)耐磨性能有一定影響；在一定條件下耐磨性能隨著塑性變形能力和彈性恢復(fù)率的增加而增強(qiáng)[17-18]。塑性變形能力一般用H3/E2(H為納米壓痕硬度；E為彈性模量)進(jìn)行表征，其值反映了材料對(duì)彈性應(yīng)變H/E的敏感性。由表2可知：CoCrAlSiY合金涂層的硬度、彈性恢復(fù)率和塑性變形能力都明顯低于Al2O3對(duì)磨球，因此抗Al2O3球磨損的能力較差，但是試驗(yàn)制備的合金涂層的上述性能指標(biāo)和其他同類(lèi)合金涂層相近[19-20]。

表2 CoCrAlSiY合金涂層和Al2O3球的力學(xué)性能

2.3 摩擦磨損性能

由圖5可知：在2 N載荷下，CoCrAlSiY合金涂層的摩擦因數(shù)最大且存在明顯的波動(dòng)過(guò)程；隨載荷增大，摩擦因數(shù)波動(dòng)減小，摩擦因數(shù)曲線逐漸平穩(wěn)。在2，5，8 N載荷下，CoCrAlSiY合金涂層的平均摩擦因數(shù)分別為0.33，0.24，0.22，磨損率分別為3.52×10-5，4.85×10-5，5.58×10-5mm3·N-1·m-1。涂層的磨損率隨載荷的變化規(guī)律與摩擦因數(shù)相反，2 N載荷下表現(xiàn)出輕微磨損特性，磨損率最小，5 N載荷下磨損程度提高，磨損率比2 N載荷下高出約1.5倍，8 N載荷下的磨損率進(jìn)一步增大。這是由于載荷越大對(duì)應(yīng)的最大赫茲壓力也越高，加速了涂層的損傷，同時(shí)產(chǎn)生的金屬磨屑黏附到Al2O3球表面，形成金屬間的摩擦，使得摩擦因數(shù)降低。

圖5 不同載荷下CoCrAlSiY合金涂層的摩擦因數(shù)曲線Fig.5 Friction coefficient curves of CoCrAlSiY alloycoating under different loads

由圖6可以看出：在2 N載荷下與Al2O3球?qū)δズ?，CoCrAlSiY合金涂層表面呈現(xiàn)塑性變形和黏著磨損特征，放大后可以看到，磨損表面存在明顯的劃痕和裂紋，這是由于與CoCrAlSiY合金涂層相比，Al2O3球的硬度更高，其表面微凸體的犁削作用導(dǎo)致CoCrAlSiY合金涂層的磨損表面出現(xiàn)犁溝特征(劃痕)，此現(xiàn)象在摩擦過(guò)程中會(huì)造成嚴(yán)重的磨粒磨損。在5 N載荷下，涂層表面出現(xiàn)較多的裂紋，這些裂紋在后續(xù)的摩擦過(guò)程中會(huì)沿著扁平粒子界面擴(kuò)展，使涂層的磨損表面產(chǎn)生大量的裂紋，最后連接在一起,導(dǎo)致涂層的脆性斷裂和剝落[21-22]；在8 N載荷下，涂層磨損嚴(yán)重，表面出現(xiàn)大塊剝落現(xiàn)象。

圖6 不同載荷下CoCrAlSiY合金涂層磨損表面的SEM形貌Fig.6 SEM micrographs of wear surface of CoCrAlSiY alloy coating under different loads: (a-b) at low magnification and(d-f) enlargement of box region

由圖7可以看出，在3種載荷條件下，磨痕表面存在明顯的溝槽或劃痕，這說(shuō)明涂層發(fā)生了磨粒磨損。2 N載荷下，CoCrAlSiY合金涂層表面磨痕較窄，磨痕底部的表面粗糙度也相對(duì)較小；隨著載荷的增加，涂層表面磨痕寬度和深度均增大，磨損變得越來(lái)越嚴(yán)重，磨痕底部的表面粗糙度也增大；當(dāng)載荷增至8 N時(shí)，磨痕底部的表面粗糙度Ra達(dá)到9.976 μm且波動(dòng)范圍大，表明該條件下涂層在磨損過(guò)程中發(fā)生大塊剝落，這與磨痕SEM形貌的分析結(jié)果相一致。

圖7 不同載荷下CoCrAlSiY合金涂層表面磨痕的三維形貌、截面輪廓和深度變化曲線Fig.7 Three-dimentional topography (a-c), sectional profile (d-f) and depth variation curve (g-i) of surface wear track ofCoCrAlSiY alloy coating under different loads

2.4 磨損表面物相組成

由圖8可以看出：CoCrAlSiY合金涂層未磨損拋光表面的拉曼譜中出現(xiàn)了α-Al2O3和CoCr2O4的特征峰，與XRD分析結(jié)果一致；在2 N載荷下摩擦磨損后，涂層表面磨痕的拉曼譜中除了出現(xiàn)α-Al2O3和CoCr2O4的特征峰外，還出現(xiàn)了Y2O3和Cr2O3的特征峰，這是由于在干滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，摩擦產(chǎn)生的瞬時(shí)熱應(yīng)力不能及時(shí)傳遞和消散，被磨損表面局部區(qū)域的金屬元素吸收導(dǎo)致金屬元素氧化形成氧化物[23-24]。隨著載荷的增加，磨損表面溫度升高，在5 N和8 N載荷下，磨損表面生成了大量氧化物，主要有α-Al2O3和CoCr2O4，這些氧化物分布在磨損表面，將Al2O3對(duì)磨材料與CoCrAlSiY合金涂層部分隔離開(kāi)，減小了摩擦因數(shù)；但在高的剪切應(yīng)力作用下，氧化物層被不斷地破壞又不斷形成，因此磨損表面出現(xiàn)大塊剝落現(xiàn)象，最終造成嚴(yán)重的磨損。

圖8 CoCrAlSiY合金涂層未磨損拋光表面及不同載荷磨損后磨痕的拉曼譜Fig.8 Raman spectra of unworn polished surface (a) and wear tracks after wear under different loads (b-d) of CoCrAlSiY alloy coating

3 結(jié) 論

(1) 超音速火焰噴涂CoCrAlSiY合金涂層主要由CoCr2O4，CoAl和α-Al2O3相組成，各物相分布均勻，涂層致密，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的氣孔、裂紋或其他缺陷。

(2) CoCrAlSiY合金涂層的硬度為(7.41±0.16) GPa，遠(yuǎn)低于Al2O3對(duì)磨球，但與其他同類(lèi)合金涂層的硬度相近。

(3) 與Al2O3球摩擦磨損時(shí)，在2，5，8 N載荷下，CoCrAlSiY合金涂層的平均摩擦因數(shù)分別為0.33，0.24，0.22，對(duì)應(yīng)的磨損率分別為3.52×10-5，4.85×10-5，5.58×10-5mm3·N-1·m-1，磨損率隨載荷增加而增大；低載荷(2 N)下的磨損機(jī)制主要是黏著磨損和磨粒磨損，高載荷(5,8 N)下涂層發(fā)生脆性斷裂而大塊剝落；在磨損過(guò)程中合金涂層表面發(fā)生氧化形成氧化物，特別是在5 N和8 N高載荷下，磨損表面出現(xiàn)大量α-Al2O3和CoCr2O4等氧化物。