岳迪凡, 李文生,*, 張 婷, 翟海民, 王海鵬, 朱曉霞, 李亞明, 張春芝

(1. 蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050;2. 山東科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590;3. 上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司, 上海 201518)

鋁合金具有低密度、高強(qiáng)度、熱學(xué)和電學(xué)優(yōu)良等性能，是汽車、高速列車、航空航天以及建筑等行業(yè)廣泛應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)材料[1]. 在汽車工業(yè)中，鋁合金主要用于輪轂、氣缸體和支架等，其中履帶車輛輪轂作為車輛行駛過程中的重要承載部件被要求能承受行駛過程中惡劣路況帶來的沖擊、刮擦和磨損[2]. 但由于鋁合金表面強(qiáng)度較低、硬度低和耐磨性差，限制了其作為重型貨車和履帶車輛輪轂在露天礦場、砂石廠、風(fēng)沙地區(qū)和戈壁灘等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用[3]. 為了提高鋁合金在苛刻工況下的使役壽命，可通過表面處理方法提高其表面綜合性能. 在眾多表面處理技術(shù)中，超音速火焰噴涂(HVOF)因能制備高硬度、低孔隙率和高結(jié)合強(qiáng)度的涂層，被廣泛應(yīng)用于汽車、軍工、航空航天和化工等領(lǐng)域[4-5]. 不銹鋼具有較低的價格和良好的耐磨耐腐蝕性能，是常用的熱噴涂材料之一[6]. García-Rodríguez等[7]使用HVOF在ZE41鎂合金上噴涂316L不銹鋼涂層，發(fā)現(xiàn)低孔隙率和較高機(jī)械穩(wěn)定性的涂層能在中性鹽霧試驗(yàn)中長期抵御氯化物的侵蝕，并大大減少電偶腐蝕的形成. Zhao等[8]使用HVOF在低碳鋼上噴涂了316L不銹鋼涂層，發(fā)現(xiàn)低氧化率的316L不銹鋼涂層在酸性環(huán)境中具有更佳的耐腐蝕性能. HVOF涂層的質(zhì)量及其微觀結(jié)構(gòu)很大程度上取決于噴涂工藝參數(shù)和粉末形態(tài)[9]，改變氧燃比來控制火焰的化學(xué)性質(zhì)和溫度可以直接控制飛行中粉末的狀態(tài)，從而影響涂層的微觀結(jié)構(gòu)[10]. Feitosa等[11]發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧燃比略低于煤油燃料完全燃燒的理論值1.1時，可獲得具有最高硬度和最低孔隙率的Al-Cu-Fe-B準(zhǔn)晶涂層. Cui等[12]發(fā)現(xiàn)氧燃比(OF)對鐵基非晶涂層的微觀結(jié)構(gòu)、相組成和孔隙率有顯著影響，隨著氧燃比的減小，在干滑動磨損條件下摩擦系數(shù)和磨損率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢.

410不銹鋼為低碳馬氏體不銹鋼，具有良好的機(jī)械性能和中等耐腐蝕性，常用于工業(yè)閥門、軸承和腐蝕介質(zhì)中工作的泵桿等[13]. 但是其低含碳量導(dǎo)致的低硬度使其耐磨性能有待進(jìn)一步提升. 而超音速火焰噴涂技術(shù)可以在不改變410不銹鋼成分的基礎(chǔ)上大幅提升其硬度，為其在苛刻工況下的應(yīng)用提供1種方案. 本文中設(shè)計在鋁合金表面超音速火焰噴涂410馬氏體不銹鋼涂層，剖析410馬氏體不銹鋼粉末不同工藝參數(shù)下的沉積行為，分析闡明噴涂工藝參數(shù)對粉末的沉積狀態(tài)和涂層微觀結(jié)構(gòu)、物相形成機(jī)理及其對涂層的耐磨損性能的影響規(guī)律，為指導(dǎo)開發(fā)具有更加優(yōu)良性能的馬氏體不銹鋼涂層提供理論和試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及涂層制備

基體選用商用6061鋁合金，噴涂粉末選用中冶鑫盾合金公司生產(chǎn)的410不銹鋼粉末，其表面形貌的掃描電子顯微鏡(SEM)照片如圖1(a)所示，具有良好的球形度. 圖1(b)所示為噴涂410粉末激光粒度儀分析結(jié)果，粉末粒度為17~91 μm，中值(d50)為41 μm. 6061鋁合金基材及410不銹鋼粉末化學(xué)成分列于表1中.

噴涂前將410不銹鋼粉末在100 ℃的干燥箱中預(yù)熱干燥30 min. 基體噴涂前經(jīng)棕剛玉對表面噴砂粗化處理后使用丙酮超聲波清洗去污，并在150~200 ℃預(yù)熱2 min. 將Oerlikon Metco HVOF DJ-2700型超音速火焰噴涂設(shè)備安裝在ABB IRB-2600機(jī)器人上，在表2所列的不同氧燃比(4.36、4.91和5.51)工藝參數(shù)下制備試樣涂層，并將不同氧燃比的涂層分別簡化命名為OF-4.36、OF-4.91和OF-5.51. 噴涂試樣使用電火花線切割機(jī)切成10 mm×10 mm×10 mm和20 mm×20 mm×10 mm的塊體樣品為試驗(yàn)和分析待用.

表2 超音速火焰噴涂參數(shù)Table 2 Spray parameters for HVOF process

1.2 涂層組織及性能測試

將粉末和涂層試樣分別用銅粉熱鑲嵌，磨拋試樣得到涂層截面，并使用金相腐蝕劑(10 mL HF + 20 mL HCL + 30 mL HNO3+ 40 mL H2O) 在40 ℃下水浴加熱腐蝕得到涂層和粉末金相. 使用金剛石線切割機(jī)切取300 μm厚的涂層試樣，掰斷涂層試樣觀察粉末堆疊形態(tài). 使用配備能譜儀(EDS, Oxford)的掃描電子顯微鏡(SEM, Quanta-450FEG and MIR3LMU)對涂層表面和截面的磨損形貌和粉末堆疊形態(tài)進(jìn)行觀察. 將放大250倍的SEM涂層截面照片導(dǎo)入Image-Pro Plus 6軟件轉(zhuǎn)化為二值圖像，根據(jù)灰度百分比計算涂層孔隙率，隨機(jī)選取5個位置測量并計算平均值. 使用X射線衍射儀(XRD, D/MAX2500)分析物相. 使用維氏顯微硬度儀(HV-1000)測量涂層的顯微硬度，加載載荷為1 N，加載時間10 s，重復(fù)測試10次取平均值. 粉末的粒徑分布使用激光粒度儀(Mastersize 2000)測試. 使用白光干涉儀(SuperView W1)測試粗糙度，隨機(jī)選取表面4個區(qū)域求平均值. 使用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)(AG-10TA)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T8642-2002，用粘膠對偶拉伸法測試涂層結(jié)合強(qiáng)度，每組涂層測試3次取平均值.

使用中科凱華HT-1000球盤摩擦試驗(yàn)機(jī)測試涂層在大氣環(huán)境(20±5 ℃，相對濕度25%±5%)中的摩擦學(xué)性能. 盤為涂層試樣(20 mm×20 mm×10 mm)，對偶球?yàn)镾i3N4小球(Ф6 mm，硬度1 700 HV). 試樣摩擦前，研磨拋光試樣表面粗糙度至Ra≈0.2 μm，后用乙醇超聲清洗去污. 摩擦試驗(yàn)頻率10.05 Hz，轉(zhuǎn)速562.8 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑3 mm，載荷10 N，摩擦?xí)r間30 min. 采用MT-500探針式二維輪廓儀測量磨痕的磨損體積，采用公式K=V/(F·S)計算磨損率，其中V是磨損體積(mm3)，F(xiàn)為法向加載力(N)，S為測試距離(m). 涂層和基體每組摩擦試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值. 磨損試樣用銅粉熱鑲嵌，使用金剛石線切割機(jī)從磨痕中間切開，提取涂層磨損截面用SEM進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的組織及結(jié)構(gòu)

圖2所示為不同氧燃比(OF)工藝參數(shù)噴涂的410不銹鋼涂層表面形貌照片，涂層亦然呈現(xiàn)出典型的扁平化粒子堆疊的熱噴涂態(tài)[14]. 如圖2(a~c)所示，隨著OF的增加，涂層表面未熔和半熔融粉末減少. 如圖2(a1)所示，OF-4.36涂層表面存在大量未熔或半熔融粉末，這些粉末保持近乎其原始狀態(tài)的橢球狀. 未熔和半熔融粉末在沉積到基材上時，無法完全鋪展擴(kuò)散，不可避免地產(chǎn)生較多的孔隙，如圖3(a)和(a1)所示，涂層孔隙率相對較高，達(dá)0.71%. 圖3(a)涂層截面形貌的SEM照片可以看出，OF-4.36涂層上部存在明顯的松散區(qū)域，涂層表面更不均勻，表現(xiàn)為涂層表面較大的粗糙度，Ra≈11.354 μm. 隨著OF的增加，如圖2(b1)所示，OF-4.91涂層中粉末熔融程度增加，但部分半熔融粉末沉積到涂層表面時會產(chǎn)生裂紋. 如圖3(b)和(b1)粉末堆疊形貌的SEM照片所示，涂層中未熔和半熔融粉末明顯減少，結(jié)構(gòu)更為致密，涂層孔隙率和表面粗糙度均下降至Ra≈ 9.219 μm，孔隙率0.55%. 當(dāng)OF持續(xù)增加至5.51時，如圖2(c1)所示，OF-5.51涂層表面較平坦，表面粗糙度降低至Ra≈ 7.048 μm，涂層孔隙率也最低，僅為0.38%. 如圖3(c)和(c1)粉末堆疊形貌的SEM照片所示，沉積粉末扁平化程度最佳，未熔粉末幾乎消失，說明OF為5.51時的高熱值使粉末沉積后的鋪展?fàn)顟B(tài)更理想，涂層更致密，結(jié)構(gòu)更均勻. 此外，如圖3(a~c)所示，隨著OF的增加，粉末扁平化程度升高，涂層厚度從230 μm降低至200 μm. 涂層與基體結(jié)合處呈明顯的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，表明涂層與基體結(jié)合良好，涂層結(jié)合強(qiáng)度超過38 MPa (TS805結(jié)構(gòu)膠最大拉伸強(qiáng)度). 同時，如圖3(a1~c1)所示，未熔和半熔融粉末主要存在于靠近基體一側(cè)，這可能是由于軟化的粉末撞擊過冷基體表面來不及流動鋪展就已迅速凝固，使得粉末保持了一定的初始形態(tài)[15].

Fig. 2 Surface SEM micrographs of stainless steel coating: (a, a1) OF-4.36; (b, b1) OF-4.91; (c, c1) OF-5.51圖2 不銹鋼涂層表面形貌照片：(a, a1) OF-4.36；(b, b1) OF-4.91；(c, c1) OF-5.51

Fig. 3 Cross-section and powder stacking SEM micrographs of stainless steel coatings:(a, a1) OF-4.36; (b, b1) OF-4.91; (c, c1) OF-5.51圖3 不銹鋼涂層截面和粉末堆疊形貌的SEM照片：(a, a1) OF-4.36；(b, b1) OF-4.91；(c, c1) OF-5.51

圖4所示為涂層中半熔融粉末能譜圖. 涂層中的半熔融粉末邊緣存在氧化區(qū)域，且氧化區(qū)域主要集中在靠近噴涂表面，這是因?yàn)楹罄m(xù)粉末尚未沉積之前，暴露在空氣中的粉末表面會發(fā)生氧化[16].

Fig. 4 SEM micrograph and EDS of semi-melted particle in coating圖4 涂層中半熔融粉末的SEM照片和EDS圖

圖5所示為410不銹鋼粉末和不同OF噴涂涂層的XRD衍射圖譜. 410不銹鋼粉末和噴涂涂層在30°~90°的衍射掃描范圍內(nèi)都有3個衍射峰，衍射峰2θ角分別為44.6°、64.9°和82.2°，對應(yīng)為體心立方晶格的α-Fe (ICCD 01-1262)結(jié)構(gòu). 相較于粉末，由于在熱噴涂過程中粉末的部分熔化和快速凝固導(dǎo)致晶粒細(xì)化，涂層的衍射峰產(chǎn)生了寬化現(xiàn)象[17]. 另外，隨著OF的增加，由于噴涂涂層沉積致密度的增加和殘余應(yīng)力的原因[18]，致使OF-4.91和OF-5.51涂層中對應(yīng)的(100)衍射峰相較于OF-4.36涂層的(100)衍射峰分別向低度角偏移了0.124°和0.02°. 一般來說，HVOF涂層殘余應(yīng)力主要包含以下3個應(yīng)力分量，即高速飛行的粉末撞擊涂層產(chǎn)生類似 “噴丸強(qiáng)化” 的壓應(yīng)力、熔融粉末空淬產(chǎn)生的 “淬火應(yīng)力” 和涂層與基體熱膨脹差異產(chǎn)生的 “熱應(yīng)力”[19].實(shí)際噴涂過程中，隨著OF的增加，噴涂中粉末飛行速度下降，溫度升高[20]，降低的飛行速度和更多的熔融粉末導(dǎo)致 “噴丸強(qiáng)化” 壓應(yīng)力減弱，最終3種應(yīng)力共同作用導(dǎo)致(100)衍射峰向低度角偏移. 同時，噴涂過程中的 “噴丸強(qiáng)化” 使得涂層硬度均大于410不銹鋼粉末硬度(530±50 HV0.1)，而OF升高會降低粉末的飛行速度，使得 “噴丸強(qiáng)化” 減弱，涂層硬度略為降低，涂層厚度、孔隙率、顯微硬度和粗糙度列于表3中.

表3 涂層厚度、孔隙率、顯微硬度和粗糙度Table 3 Thickness, porosity, microhardness and roughness of coatings

Fig. 5 XRD spectrum of 410 stainless steel powder and coatings of different OF圖5 410不銹鋼粉末和不同氧燃比涂層XRD圖譜

如圖6(a)和(b)所示，從410不銹鋼粉末和涂層截面微觀結(jié)構(gòu)中可以看出，410不銹鋼粉末和涂層顯示出典型的馬氏體(M)和鐵素體(F)組織[21-22]. 根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5% Cr的Fe-Cr-C偽二元相圖[23]可知，平衡狀態(tài)下的410不銹鋼的凝固路徑為δ-鐵素體首先從液相中析出，長大過程中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣?奧氏體，直至液相完全消失，隨后，δ-鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?奧氏體；從γ-奧氏體中析出M23C6碳化物，同時γ-奧氏體發(fā)生固態(tài)相變?nèi)哭D(zhuǎn)變?yōu)棣?鐵素體，最終的室溫組織為α-鐵素體和M23C6碳化物的混合組織. 而因410不銹鋼馬氏體起始和結(jié)束溫度遠(yuǎn)高于室溫，可以在空冷狀態(tài)下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變[24]. HVOF熱噴涂過程中的快速冷卻速率抑制δ-鐵素體向γ-奧氏體完全轉(zhuǎn)變，并且進(jìn)一步冷卻后，γ-奧氏體不會轉(zhuǎn)變成α-鐵素體，而是發(fā)生馬氏體相變，轉(zhuǎn)變成馬氏體. 并且由于奧氏體很少，其析出的M23C6碳化物不會發(fā)生明顯沉淀，多以彌散顆粒存在于組織中. 以上410不銹鋼熱噴涂馬氏體轉(zhuǎn)變特征在Zhu等[25]的研究中已有報道.

Fig. 6 SEM micrographs of 410 powder and coating metallography: (a) powder; (b) coating;(c) Fe-Cr-C pseudobinary phase diagram圖6 410粉末和涂層金相的SEM照片：(a)粉末；(b)涂層；(c) Fe-Cr-C偽二元相圖[23]

2.2 涂層摩擦學(xué)行為及磨損機(jī)制

圖7所示為不同OF的410涂層和6061鋁合金基體在對應(yīng)摩擦試驗(yàn)條件下的磨損率、穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)和磨痕二維輪廓. 涂層的磨痕較淺，磨損率也較6061鋁合金的基體磨損率164.27×10-6mm3/(N·m)低89%~94%；其中OF-5.51涂層磨損率最低，為9.35×10-6mm3/(N·m)，較OF-4.36涂層磨損率17.96×10-6mm3/(N·m)低約48%.涂層OF-4.36、OF-4.91、OF-5.51和6061鋁合金基體的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)約為0.76、0.73、0.71和0.38，6061鋁合金基體相對于410不銹鋼涂層因低硬度和低剪切強(qiáng)度而呈現(xiàn)出較高的磨損率和較低的摩擦系數(shù)[26]，410不銹鋼涂層高硬馬氏體耐剪切性能使涂層保持很高的摩擦系數(shù).

Fig. 7 410 coatings and substrate with different OF: (a) wear rate and steady friction coefficient;(b) cross-section depth diagram of wear mark圖7 不同氧燃比410涂層和基體：(a)磨損率和穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)；(b)磨痕橫截面深度圖

圖8所示為不同OF噴涂涂層和基體的摩擦系數(shù)圖，圖9所示為OF-4.36涂層磨痕中部磨損形貌照片.如圖8所示，6061鋁合金基體的摩擦系數(shù)在2 min內(nèi)迅速上后下降，并最終維持在0.38左右. 不同OF噴涂涂層的摩擦系數(shù)相近，但卻表現(xiàn)出不同的摩擦跑合特性.Stage Ⅰ(4~8 min)的初期摩擦過程中摩擦系數(shù)趨于0.2并保持平穩(wěn)的預(yù)跑合階段，對應(yīng)涂層的摩擦磨損形貌照片如圖9(a)所示，涂層預(yù)制光滑表面在Si3N4摩球的微切削作用下出現(xiàn)犁溝，并在未熔粉末邊界出現(xiàn)微裂紋，如圖9(a1)所示；隨著摩擦進(jìn)行至Stage Ⅱ (8~12 min)，摩擦系數(shù)開始迅速上升，對應(yīng)涂層的摩擦磨損形貌照片如圖9(b)所示，涂層表面開始出現(xiàn)層片狀剝落，層片狀磨屑在摩擦對偶的碾壓下劃傷涂層表面，且剝落坑周圍產(chǎn)生裂紋、分層和二次剝落，如圖9(b1)所示，并出現(xiàn)硬質(zhì)顆粒被壓入并劃傷涂層表面的現(xiàn)象，如圖9(b1)中A處所示；當(dāng)摩擦進(jìn)行至Stage Ⅲ (12~16 min)，摩擦系數(shù)從0.65下降至0.6后繼續(xù)上升至0.72，對應(yīng)涂層磨損表面出現(xiàn)大量剝落坑和分層，并產(chǎn)生顆粒狀磨屑，如圖9(c)和(c1)所示；然后摩擦進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，隨著摩擦?xí)r間的增加，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.76左右，如圖10(a)所示，在持續(xù)的磨損過程中涂層磨損表面堆積大量磨屑，部分剝落坑被顆粒狀磨屑所填充，摩擦磨損進(jìn)入穩(wěn)態(tài). 整個摩擦過程中涂層經(jīng)歷著不同的摩擦磨損機(jī)制，也表現(xiàn)出了不同的表面狀態(tài)變化. 在Stage Ⅰ，涂層磨損表面僅出現(xiàn)一些較淺的劃痕和犁溝，基本維持最初的光滑程度，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.2，涂層磨損機(jī)制為微接觸高應(yīng)力滑動磨損；在Stage Ⅱ，涂層表面缺陷處因應(yīng)力集中率先產(chǎn)生裂紋，隨著摩擦的進(jìn)行，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致剝落和輕微分層并產(chǎn)生層片狀磨屑，同時層片狀磨屑在載荷的作用下破碎、脫落和黏回，此時涂層磨損表面迅速粗化，摩擦系數(shù)迅速上升，涂層磨損機(jī)制為微切削、脆性剝落和三體磨料磨損；在Stage Ⅲ，涂層磨損表面剝落和分層加劇并堆積有大量顆粒狀磨屑，磨屑堆積并在摩擦熱的聚集作用下氧化而產(chǎn)生自潤滑效果[27]，使摩擦系數(shù)略微下降. 但隨著摩擦磨損接觸面積的增大，磨屑硬化并起到磨料的效果[28]，反而又使得摩擦系數(shù)繼續(xù)上升，此時涂層磨損機(jī)制為三體磨料磨損和分層磨損. 最終當(dāng)磨痕表面形成的新磨屑和被排出磨痕的磨屑量相當(dāng)時，磨痕表面逐漸形成動態(tài)平衡[29]，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，涂層進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段.

Fig. 8 Friction coefficient of coatings and substrate圖8 涂層和基體摩擦系數(shù)

Fig. 9 SEM micrographs of OF-4.36 coating at different wear stages: (a, a1) stage Ⅰ; (b, b1) stage Ⅱ; (c, c1) stage Ⅲ圖9 OF-4.36涂層不同磨損階段形貌的SEM照片：(a, a1) stage Ⅰ；(b, b1) stage Ⅱ；(c, c1) stage Ⅲ

Fig. 10 SEM micrographs of wear surface and EDS of 410 coatings with different OF:(a, a1) OF-4.36; (b, b1) OF-4.91; (c, c1) OF-5.51圖10 不同氧燃比410涂層磨損表面SEM形貌照片和能譜圖：(a, a1) OF-4.36；(b, b1) OF-4.91；(c, c1) OF-5.51

從圖8中亦可以發(fā)現(xiàn)，不同OF的噴涂涂層呈現(xiàn)出了不同的摩擦跑合現(xiàn)象. OF-4.91涂層摩擦系數(shù)的預(yù)跑合階段(Stage Ⅰ)、摩擦劇烈上升期(Stage Ⅱ)和緩慢上升期(Stage Ⅲ)時間分別集中在2~4、4~6和6~8 min，較OF-4.36有明顯的提前；而OF-5.51涂層的3個摩擦階段則分別集中在2~6、6~10和10~12 min，較OF-4.36提前，但是較OF-4.91滯后. 涂層的這種摩擦跑合現(xiàn)象與其本征硬度和孔隙率直接關(guān)聯(lián)[30]，OF-4.91涂層孔隙率較低、硬度較高，其在Stage Ⅱ和Stage Ⅲ僅持續(xù)了4 min，明顯少于OF-4.36涂層的8 min；OF-5.51涂層孔隙率和硬度降低，其在Stage Ⅱ和Stage Ⅲ持續(xù)了6 min，較OF-4.91涂層延長2 min，說明涂層相對較低的硬度使其在Stage Ⅱ的輕微分層、磨屑脫落和黏回的摩擦階段也相對滯后了，另外OF為5.51時產(chǎn)生的高熱值將增加410不銹鋼粉末熔化程度，更多熔融粉末的沉積和冷卻可能會產(chǎn)生更多的鐵素體，從而延長OF-5.51涂層Stage Ⅱ和Stage Ⅲ的時間[21].

當(dāng)3種不同OF的涂層進(jìn)入穩(wěn)定摩擦磨損階段后，其穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)相近，但磨損率卻不同. 例如OF-5.51涂層較其他2種涂層硬度更低且磨損率也更低，與Archard[31]磨損理論所說的涂層的耐磨性能與其顯微硬度成正比呈現(xiàn)相勃的規(guī)律. 因?yàn)榕cOF-4.36涂層相比，OF-5.51涂層的顯微硬度和孔隙率較分別下降了1%和46%，孔隙率降幅更明顯，說明涂層孔隙率與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，與涂層硬度的輕微降低相比，其微觀結(jié)構(gòu)對磨損率的影響更大.

圖10所示為不同OF噴涂涂層的表面磨損形貌照片. 如圖10(a~c)所示，隨著OF的上升，涂層磨痕寬度從OF-4.36涂層的700 μm下降至OF-5.51涂層的605 μm，且磨痕中堆積的磨屑減少. 如圖10(a, a1)所示，OF-4.36涂層磨損表面存在明顯的犁溝、剝落、分層和磨屑堆積，并伴有許多分布在未熔和半熔融粉末邊緣的裂紋；EDS面掃顯示磨損表面由淺灰色涂層區(qū)域、深灰色氧化區(qū)域和亮白色磨屑堆積區(qū)域組成，其中磨屑堆積區(qū)域發(fā)現(xiàn)O元素富集，表明磨屑脫落黏回后在摩擦熱作用下發(fā)生氧化. 如圖10(b1)所示，隨著OF的增加，OF-4.91涂層磨損表面出現(xiàn)河流狀形貌，表明其沿著磨損方向出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形；EDS面掃顯示塑性變形區(qū)域氧化嚴(yán)重，并檢測到大量Si元素(Si3N4摩球的殘留)，表明相對低孔隙率和高硬度的OF-4.91涂層在摩擦過程中分層磨損，磨屑在載荷的作用下破碎、脫落和黏回的摩擦階段縮短，并提前承受了更大剪切應(yīng)力，摩擦系數(shù)在Stage Ⅱ階段上升更快且更早. 如圖10(c1)所示，OF-5.51涂層磨損表面刮擦痕跡變淺，有輕微剝落和分層的跡象，同樣伴有大量顆粒狀磨屑堆積黏結(jié)；EDS面掃顯示涂層氧化區(qū)域并未開裂和剝落，磨損表面存在連續(xù)氧化膜，說明低孔隙率和相對低硬度的OF-5.51涂層表現(xiàn)出了更為優(yōu)秀的綜合摩擦學(xué)性能.總體來說，3種涂層在穩(wěn)定磨損階段表現(xiàn)出不同的磨損形貌，呈現(xiàn)了不同的磨損機(jī)制：OF-4.36涂層孔隙率較高，存在較多未熔粉末邊界，摩擦過程中裂紋易在未熔和半熔融粉末邊界及孔隙附近萌生并擴(kuò)展，導(dǎo)致剝落和分層，并產(chǎn)生大量磨屑劃傷表面形成犁溝，涂層發(fā)生分層磨損和磨料磨損；隨著OF的增加，OF-4.91涂層缺陷減少，磨損表面發(fā)生塑性變形并氧化形成氧化膜，氧化膜在循環(huán)剪切應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋，隨后裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致其部分剝落破碎[32]，形成顆粒狀磨屑切削涂層表面，涂層發(fā)生氧化磨損和磨料磨損；隨著OF的進(jìn)一步增加，OF-5.51涂層致密度最高，硬度相對降低塑性增加，且在磨損表面產(chǎn)生連續(xù)氧化膜，犁溝變淺，涂層發(fā)生氧化磨損和磨料磨損[33].

圖11所示為不同OF 噴涂涂層摩擦對偶Si3N4球磨斑和磨屑形貌照片. 從OF-4.36到OF-5.51涂層，對偶球磨斑直徑隨著涂層中OF的增加，從1 050 μm下降至770 μm，且黏附的磨屑也明顯減少. 如圖11(a)所示，OF-4.36涂層對偶球表面黏附磨屑量最大，對點(diǎn)A處的EDS 分析表明，磨屑成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Fe: 22.4%，O: 38.5%，即為易碎的Fe2O3和Fe3O4磨屑. 剝落的層片狀磨屑長約40 μm，表面存在明顯的裂紋. 如圖11(b)所示，OF-4.91涂層對偶球磨斑變小，表面黏附磨屑減少，層片狀磨屑長度下降至約31 μm. 如圖11(c)所示，OF-5.51涂層對偶球磨斑最小，磨屑多為顆粒狀. 因?yàn)楦苫瑒幽Σ林心Σ粮遍g的實(shí)際接觸區(qū)域是由許多微凸體組成，實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于表面接觸面積，微凸體接觸點(diǎn)在摩擦功的作用下產(chǎn)生的閃溫顯著高于滑動表面平均溫度[34]. 高孔隙率(0.71%)的OF-4.36涂層在摩擦過程中實(shí)際接觸面積較小，即承載條件較差，涂層缺陷處更易因應(yīng)力集中而分層，產(chǎn)生層片狀鐵屑，較大的層片狀鐵屑容易被排出磨痕，而較小的鐵屑則易在對偶球的碾壓下破碎和氧化[35]，并黏附在摩擦副上，因此OF-4.36涂層磨損主要是分層磨損. 隨著OF的增加，OF-4.91涂層孔隙率降低至0.55%，摩擦過程中摩擦副之間的實(shí)際接觸面積增大，涂層接觸界面在較高的閃溫和空氣中O2的作用下脫碳氧化，產(chǎn)生Fe2O3，形成氧化膜，當(dāng)氧化膜變厚達(dá)到臨界厚度(1~3 μm)時剝落并暴露出的新鮮金屬表面[36]，其很快會再次氧化并剝落，因此OF-4.91涂層磨損主要是氧化分層磨損和磨料磨損. 隨著OF的進(jìn)一步升高，OF-5.51涂層孔隙率降至最低0.38%，摩擦過程中摩擦對偶間實(shí)際接觸面積增大，接觸處閃溫降低，接觸界面氧化變緩[36]，薄的氧化膜剝落機(jī)會減少，OF-5.51涂層磨損主要是氧化磨損和輕微磨料磨損.

Fig. 11 SEM micrographs of counterpart balls and wear debris of 410 coatings with different OF:(a) OF-4.36; (b) OF-4.91; (c) OF-5.51圖11 不同氧燃比410涂層對偶球和磨屑形貌的SEM照片：(a) OF-4.36；(b) OF-4.91；(c) OF-5.51

分層磨損的發(fā)生主要?dú)w因于涂層中裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，而不同OF涂層因涂層堆疊沉積結(jié)構(gòu)差異，其中裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的方式并不相同. 如圖12(a)所示，OF-4.36涂層干滑動摩擦?xí)r剝落坑中產(chǎn)生平行于涂層表面的裂紋，并沿著半熔融粉末邊緣擴(kuò)展，因?yàn)榘肴廴诜勰┍砻姹谎趸嬖?層很薄的氧化膜(圖4)，氧化膜為裂紋擴(kuò)展提供了路徑. 如圖12(b)所示，OF-4.91涂層干滑動摩擦?xí)r裂紋在涂層亞表層和孔隙處產(chǎn)生，亞表層附近產(chǎn)生的微裂紋會向著涂層表面擴(kuò)展，這與Li等[26]的研究結(jié)論相符. 孔隙處的裂紋容易在孔隙尖端產(chǎn)生并擴(kuò)展，因?yàn)榧舛烁菀桩a(chǎn)生應(yīng)力集中[37]. 如圖12(c)所示，OF-5.51涂層磨痕截面存在淺層剝落坑和孔隙，并未出現(xiàn)明顯的裂紋. OF-4.36涂層中存在較多的未熔和半熔融粉末邊界，裂紋容易萌生、擴(kuò)展和連接，從而導(dǎo)致分層磨損；隨著OF的增加，OF-4.91涂層中未熔和半熔融粉末邊界明顯減少，但仍存在孔隙，裂紋容易在孔隙處萌生擴(kuò)展，導(dǎo)致分層. 另外，涂層亞表層在循環(huán)剪切應(yīng)力下產(chǎn)生孔洞，孔洞延伸并連接成平行于表面的裂紋[34]，裂紋足夠大時也會導(dǎo)致分層. 當(dāng)OF持續(xù)增加，OF-5.51涂層均勻致密，摩擦過程中裂紋擴(kuò)展減緩，分層磨損傾向更低.

Fig. 12 SEM micrographs of cross-section of coatings wear scar: (a) OF-4.36; (b) OF-4.91; (c) OF-5.51圖12 涂層磨痕截面形貌的SEM照片：(a) OF-4.36；(b) OF-4.91；(c) OF-5.51

綜上，涂層的磨損機(jī)制和其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān).OF為4.36時，HVOF產(chǎn)生的焰流溫度較低，只能軟化或熔化粉末表面，粉末沉積變形程度較低，不可避免地形成較多孔隙，且涂層層間結(jié)合弱. 如圖13(a)所示，OF-4.36涂層在與Si3N4磨球?qū)ε紩r，裂紋易在未熔和半熔融粉末邊界萌生擴(kuò)展，導(dǎo)致扁平粒子間隙處開裂并分層剝落，產(chǎn)生較大的層片狀鐵屑加速涂層磨損[38]，同時部分鐵屑氧化破碎成顆粒狀磨屑，作為第三體磨料劃傷表面，產(chǎn)生犁溝和較大的磨損率[圖10(a)和圖7]；如圖13(b)所示，OF-4.91涂層粉末熔化程度增大，涂層層間結(jié)合增強(qiáng)，孔隙率減小，摩擦磨損過程未熔顆粒誘導(dǎo)裂紋的機(jī)會減少，分層剝落磨損傾向減弱，主要磨損是由氧化膜增厚至臨界厚度時剝落破碎，產(chǎn)生大量磨屑切削涂層表面所導(dǎo)致的氧化分層磨損和磨料磨損；如圖13(c)所示，OF-5.51涂層中粉末扁平化程度增大，結(jié)構(gòu)均勻致密，未熔顆?；鞠В瑢?dǎo)致涂層內(nèi)部因摩擦應(yīng)力集中分層開裂和剝落傾向減弱，涂層磨痕表面堆積黏結(jié)的顆粒狀磨屑較少且形成連續(xù)氧化膜[圖10(c)和圖11(c)]，部分隔絕了摩擦副間的直接接觸[39]，涂層主要磨損機(jī)制為氧化磨損和磨料磨損.

Fig. 13 Schematic diagram of coating wear mechanism: (a) OF-4.36; (b) OF-4.91; (c) OF-5.51圖13 涂層磨損機(jī)理示意圖：(a) OF- 4.36；(b) OF- 4.91；(c) OF- 5.51

3 結(jié)論

本文中在鋁合金表面超音速火焰噴涂410馬氏體不銹鋼涂層，剖析410馬氏體不銹鋼粉末不同氧燃比工藝參數(shù)下的沉積行為，分析闡明噴涂工藝參數(shù)對粉末的沉積狀態(tài)和涂層微觀結(jié)構(gòu)、物相形成機(jī)理及其對涂層的耐磨損性能的影響規(guī)律，并為履帶車輛輪轂等輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計和耐磨性防護(hù)提供一定的試驗(yàn)和理論依據(jù). 主要結(jié)論如下：

a. 不同OF噴涂的410不銹鋼涂層形成了馬氏體和鐵素體組織，涂層硬度達(dá)590 HV0.1. 隨著OF的增加，涂層中未熔粉末減少、結(jié)構(gòu)更為均勻致密，孔隙率從0.71%下降至0.38%.

b. 在干滑動磨損條件下，噴涂涂層的孔隙率和硬度等沉積特性直接影響著涂層的摩擦跑合特征，穩(wěn)定磨損階段，410不銹鋼涂層與Si3N4對偶球的摩擦系數(shù)達(dá)0.72±0.04. 隨著OF在一定范圍內(nèi)增加，410不銹鋼涂層的磨損率呈下降趨勢，OF-5.51涂層磨損率降低至9.35×10-6mm3/(N·m)，耐磨性良好，能為鋁合金基體提供良好的耐磨防護(hù). 摩擦系數(shù)會隨著410不銹鋼涂層表面狀態(tài)而變化，且涂層孔隙率和鐵素體的增加會影響延長摩擦系數(shù)上升期.

c. 在干滑動磨損條件下，低氧燃比的410不銹鋼涂層由于孔隙率高和未熔沉積顆粒的摩擦應(yīng)力，裂紋會誘導(dǎo)分層磨損，高氧燃比的OF-5.51涂層孔隙率低，未熔沉積顆粒消失、分層和磨料磨損減弱，磨損主要為氧化磨損和輕微磨料磨損.