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        等離子噴涂Ti涂層的微觀組織及摩擦磨損性能研究

        2023-11-10 05:02:14朱建勇覃思思歐陽晟韓旭航李晨龍王躍明
        湖南有色金屬 2023年5期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼

        朱建勇,覃思思,歐陽晟,黃 杰,韓旭航,李晨龍,王躍明

        (1.湖南省冶金材料研究院有限公司 粉末冶金與金屬陶瓷研究所,湖南 長沙 410129;2.湖南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

        鈦及鈦合金具有高熔點、無磁性、低熱膨脹系數(shù)、高比強度和比剛度、良好的耐腐蝕及耐生物侵蝕等諸多優(yōu)異特性,已成為航空航天飛行器、海洋艦艇等領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵材料,被稱為“21世紀(jì)的鋼鐵”[1-3]。由于鈦的價格較高,而熱噴涂制備涂層厚度一般小于0.5 mm,可大幅減少鈦的消耗,且對零部件形狀要求不高,噴涂工藝相對簡單,采用熱噴涂的方法在鐵基或鋁基零部件表面制備鈦涂層以達(dá)到防腐耐磨目的是一種降低成本的優(yōu)選方案。目前,國內(nèi)外學(xué)者常采用低壓等離子噴涂、冷噴涂、超音速等離子噴涂、可控氣氛等離子噴涂、高速火焰噴涂及低壓電弧噴涂制備鈦涂層[4-12]。然而,上述噴涂方法對噴涂粉末要求較高,且設(shè)備昂貴,涂層制備成本高昂,限制了其推廣應(yīng)用。大氣等離子噴涂技術(shù)對噴涂設(shè)備及鈦粉均要求不高,鈦涂層制備成本相對低廉。為此,本文分別以Ti及TiH2為原料粉末,采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備了Ti涂層,并對比分析了兩種不同原料粉末所制備Ti涂層的顯微形貌、物相組成、顯微硬度及摩擦磨損性能。

        1 試驗材料及方法

        試驗用Ti粉及TiH2粉純度分別為99.0%及99.6%,平均粒度均約74μm。本文選用304不銹鋼為基體材料,其尺寸(長×寬×高)為150 mm×30 mm×8 mm。為防止噴涂過程中粉末堵塞送粉軟管,需先將其置于干燥箱中100℃下干燥1 h。采用DH-1080等離子噴涂設(shè)備(最大功率80 kW)開展大氣環(huán)境等離子噴涂試驗,工藝參數(shù)詳見表1。

        表1 大氣等離子噴涂工藝參數(shù)

        線切割20 mm×20 mm的Ti涂層摩擦試驗樣品,在HRS-2M型高速往復(fù)摩擦試驗機上進(jìn)行耐磨損試驗,對偶磨球為直徑5 mm的軸承鋼球,載荷為10 N,速率為180 r/min,時間為30 min;采用分析天平稱量涂層摩擦試驗前后重量;采用Buehler 5410維氏硬度計測定涂層樣品顯微硬度,加載25 g,加載時間15 s,測6個點后取平均值;采用日本理學(xué)D/ruax2550PC型X射線衍射儀分析樣品物相組成,選用Cu靶Kα射線,電壓40 kV,電流300 mA,掃描速度2θ/min,步長0.02°;采用Quanta 200FEG場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察粉末、大氣等離子噴涂樣品顯微結(jié)構(gòu)及摩擦表面形貌,并深入分析涂層的摩擦磨損機制。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 噴涂粉末的微觀結(jié)構(gòu)和物相分析

        大氣等離子噴涂用粉末SEM形貌像如圖1所示。由圖1可見,Ti粉及TiH2粉末顆粒均為不規(guī)則多角形顆粒,尺寸及形態(tài)各異。經(jīng)檢測,Ti粉粒度主要分布于30~100μm,TiH2粉粒度主要分布于10~120μm,Ti及TiH2粉末松裝密度分別為1.69 g/cm3及1.21 g/cm3。粉末顆粒的不規(guī)則形狀將影響其流動性,從而影響等離子噴涂Ti涂層質(zhì)量。

        圖1 大氣等離子噴涂用粉末SEM形貌像

        等離子噴涂用Ti粉及TiH2粉的XRD圖譜如圖2所示,由圖2可見,等離子噴涂用Ti粉XRD圖譜中僅可見Ti的衍射峰,TiH2粉XRD圖譜中僅可見TiH2衍射峰,均未見其他雜質(zhì)的衍射峰,表明噴涂粉末的純度較高,不會污染Ti涂層。

        圖2 等離子噴涂用Ti粉及TiH2粉的XRD圖譜

        2.2 等離子噴涂Ti粉及TiH2粉涂層的微觀結(jié)構(gòu)和物相分析

        大氣等離子噴涂Ti粉及TiH2粉涂層橫截面SEM照片如圖3所示。由Ti粉經(jīng)等離子噴涂制備Ti涂層截面形貌圖3(a)可見,Ti涂層厚度約為150~200μm。由涂層與基體界面局部放大的截面圖3(b)可見,等離子噴涂Ti涂層為熱噴涂層典型的層片結(jié)構(gòu),涂層與基體界面呈機械咬合,層片結(jié)合部位可觀察到孔隙及微觀縫隙。TiH2粉末經(jīng)等離子噴涂所制備Ti涂層厚度也比較均勻,約100~150μm,如圖3(c)所示。由局部放大的截面形貌圖3(d)可見,Ti涂層為典型的層片結(jié)構(gòu),涂層與基體界面結(jié)合緊密,涂層內(nèi)部層片結(jié)合部位存在一些微細(xì)孔隙。分析表明,等離子噴涂過程中,高速熔融粒子撞擊到已凝固的沉積層表面時,對粗糙表面的不完全填充及粒子之間的不完全結(jié)合,不可避免地在粒子層間結(jié)合部位產(chǎn)生孔隙和微觀縫隙。

        圖3 大氣等離子噴涂Ti粉及TiH2粉涂層橫截面SEM照片

        Ti與TiH2粉經(jīng)大氣等離子噴涂所制備Ti涂層的XRD衍射圖譜如圖4所示,由圖4可見,Ti粉經(jīng)等離子噴涂所制備的Ti涂層XRD圖譜中主衍射峰為TiO,Ti的衍射峰相對較弱。而TiH2粉所制備的Ti涂層XRD圖譜中主衍射峰為Ti,TiO衍射峰相對較弱。分析表明,大氣等離子噴涂過程中Ti粉與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng),因而XRD圖譜中可觀察到較強的TiO主衍射峰。而TiH2粉末在等離子焰流的高溫條件下分解為Ti與H2,H2氣包覆在Ti粉末及Ti涂層表面,從而有效避免了涂層氧化,涂層中TiO含量相對較少。

        圖4 Ti與TiH 2粉經(jīng)大氣等離子噴涂所制備Ti涂層的XRD衍射圖譜

        顯微硬度是評價等離子噴涂Ti涂層的重要指標(biāo)表之一。Ti的氧化物硬度較高,在涂層中以硬質(zhì)相形式存在,彌散強化作用顯著。隨著氧化物含量的增加,Ti涂層硬度增加,因而涂層硬度的大小可反映出其Ti的氧化程度。經(jīng)測試,304不銹鋼基材硬度分布均勻,約135.7 HV0.025。TiH2粉所制備Ti涂層顯微硬度約350.2 HV0.025,而Ti粉所制備Ti涂層顯微硬度高達(dá)692.1 HV0.025。分析表明,TiH2粉所制備的Ti涂層中TiO含量低,Ti涂層硬度偏低。而Ti粉所制備的Ti涂層中TiO含量高,導(dǎo)致涂層硬度高、脆性大[13],Gkomoza[14]、季珩及查柏林也報道了類似的試驗現(xiàn)象[15-16],進(jìn)一步驗證了本文試驗結(jié)果。

        2.3 等離子噴涂Ti涂層的摩擦磨損性能

        摩擦表面SEM照片如圖5所示,由圖5(a)可見,304不銹鋼基體摩擦表面存在大量的犁溝和劃痕以及剝落坑,其中犁溝深而寬、劃痕深,摩擦膜表面剝落面積大,呈現(xiàn)出較為明顯的塑性流動和粘著特征,這說明其磨損機理為磨粒磨損和粘著磨損。由圖5(b)中可見,TiH2粉所制備Ti涂層磨損表面存在大小不一的涂層剝落坑,剝落坑周邊隱約可見一些平行于滑動方向的犁溝,磨痕明顯,可知該涂層磨損機制屬于粘著磨損,同時存在磨粒磨損。Ti粉所制備Ti涂層的磨痕表面(圖5c)存在一些微細(xì)的劃痕和較多的微小磨粒,說明該涂層磨損機制以磨粒磨損為主。圖5(c)中觀察不到大的磨痕,涂層摩擦表面光滑,表現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性能。分析表明,304不銹鋼基體硬度較低且缺乏硬質(zhì)相支撐,摩擦過程中很容易被軸承鋼對磨球表面微凸體切入,形成犁溝,且摩擦膜中存在大量的Fe,易于形成“粘著”效應(yīng),這也與其摩擦系數(shù)-摩擦?xí)r間關(guān)系曲線的變化趨勢相符合。TiH2粉所制備涂層硬度相對于304不銹鋼基體硬度有一定的提高,但硬度仍偏低,在一定程度上無法有效抵抗軸承鋼球?qū)ζ涞睦缦髯饔?,但相對?04不銹鋼基體而言已有所提高。而Ti粉所制備涂層中TiO硬度較高,在涂層中以硬質(zhì)相形式存在,而高顯微硬度的硬質(zhì)相能有效地阻礙磨球?qū)ν繉拥那邢髯饔?,有利于提高涂層的抗磨損性能。

        圖5 摩擦表面SEM照片

        304不銹鋼基材與Ti涂層摩擦系數(shù)曲線如圖6所示,由圖6可見,304不銹鋼基材摩擦系數(shù)一直處于上升趨勢,開始急劇上升,然后緩慢上升,在此過程中摩擦系數(shù)波動較大,穩(wěn)定性較差,其平均值為0.648。TiH2粉制備Ti涂層的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出先升高,而后緩慢下降,最后基本維持穩(wěn)定的變化趨勢,其平均摩擦系數(shù)為0.294,相對基體而言有較大幅度下降,且其穩(wěn)定性優(yōu)于基體。相對而言,Ti粉所制備的Ti涂層的摩擦系數(shù)隨時間變化幅度要平穩(wěn)的多,其平均值僅為0.173,這表明Ti粉制備的Ti涂層的減磨性能要明顯優(yōu)于TiH2粉制備的涂層。分析表明,TiH2粉制備的Ti涂層相對基材而言其硬度有所提高,有效地減小了接觸應(yīng)變,而且涂層中所含的Ti有助于連續(xù)穩(wěn)定摩擦膜的形成,因此在摩擦開始階段,磨合過程明顯更為柔和。而當(dāng)摩擦膜形成后,由于Ti元素的氧化,使得摩擦膜含有一定量的低熔點TiO,從而有效抑制了摩擦過程中的“粘著”效應(yīng),因此在摩擦過程后期,摩擦系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。而Ti粉制備涂層硬度明顯高于TiH2粉制備的涂層,更能有效的抑制“粘著”效應(yīng),所以其摩擦系數(shù)在平均值上下波動極小,磨損非常穩(wěn)定。此外,相對于TiH2粉所制備涂層而言,Ti粉制備涂層TiO含量更高,能更加快速有效的形成摩擦膜,因而該涂層摩擦系數(shù)曲線在初始階段就很平穩(wěn),波動小。

        圖6 304不銹鋼基材與Ti涂層摩擦系數(shù)曲線

        載荷為10 N、轉(zhuǎn)速180 r/min、時間1 800 s條件下304不銹鋼基材與Ti涂層磨損量直方圖如圖7所示,由圖7可見,Ti粉制備的Ti涂層的磨損量僅為5.8 mg,TiH2粉制備的Ti涂層磨損量為9.9 mg。而304不銹鋼基體磨損量高達(dá)32.8 mg,顯著高于兩種Ti涂層,說明Ti涂層的耐磨性能優(yōu)于304不銹鋼基材。

        圖7 304不銹鋼基材與Ti涂層磨損量直方圖

        3 結(jié) 論

        1.Ti及TiH2原料粉末均為多角形顆粒,兩種粉末經(jīng)大氣等離子噴涂制備的Ti涂層呈明顯層片結(jié)構(gòu),厚度比較均勻,約100~200μm。Ti粉所制備Ti涂層XRD圖譜中可觀察到以TiO為主的衍射峰,Ti的衍射峰值相對較弱。而TiH2粉所制備的Ti涂層XRD圖譜中的主衍射峰為Ti,TiO的衍射峰值較弱。

        2.Ti粉所制備的Ti涂層摩擦系數(shù)及磨損量僅為0.179及5.8 mg,TiH2粉末所制備的Ti涂層摩擦系數(shù)及磨損量分別為0.294及9.9 mg,而304不銹鋼基體則分別高達(dá)0.648及32.8 mg,說明Ti涂層的耐磨性能明顯優(yōu)于304不銹鋼。

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