超音速等離子噴涂鐵基非晶涂層組織結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)性能研究

1、超音速等離子噴涂鐵基非晶涂層組織構(gòu)造與摩擦學(xué)性能研究超音速等離子噴涂鐵基非晶涂層組織構(gòu)造與摩擦學(xué)性能研究機(jī)械設(shè)備零部件外表的主要失效形式是磨損和腐蝕，每年由磨損和腐蝕直接導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失非常宏大。據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，有70%80%的機(jī)械設(shè)備是因?yàn)榱悴考獗砟Σ聊p而導(dǎo)致?lián)p壞報(bào)廢。選用較為貴重的耐磨、耐蝕零件作為機(jī)械設(shè)備的易損零件，雖然可以減小零件的損耗，延長零件的壽命，但此方法將大幅增加工業(yè)的消費(fèi)本錢。將熱噴涂技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械零部件外表的強(qiáng)化及防護(hù)中，可以極大地延長機(jī)械的使用壽命。由于涂層的厚度可控，從而可以再制造因磨損、腐蝕等失效的機(jī)械零部件，成功實(shí)現(xiàn)了廢物回收利用，降低了原材料和能源的消耗，大幅度降低

2、了企業(yè)的消費(fèi)本錢，顯著進(jìn)步了經(jīng)濟(jì)效益。非晶合金材料具有許多晶態(tài)合金材料不具有的優(yōu)異物理、化學(xué)和力學(xué)性能，比方強(qiáng)度、硬度高，耐磨、耐蝕性能優(yōu)異等。但是，傳統(tǒng)方法制備的非晶合金受冷卻速度、尺寸等影響較大，在一定程度上限制了非晶合金的廣泛應(yīng)用。目前，利用熱噴涂技術(shù)制備非晶合金涂層受到了越來越多的學(xué)者的關(guān)注。與其他非晶合金涂層相比，鐵基非晶合金涂層既保持了優(yōu)異的耐磨、耐蝕性能，又擁有較高的性價(jià)比，合適在外表防護(hù)涂層材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。等離子噴涂技術(shù)以非轉(zhuǎn)移弧為熱源加熱加速噴涂粉末，由于等離子噴涂溫度較高，噴涂粒子速度較快，有利于非晶形成。KbayashiK和YanS等人采用等離子噴涂技術(shù)制備了200左右

3、厚的鐵基非晶合金涂層。研究發(fā)現(xiàn)，該涂層的耐磨性顯著高于基體。herigui和FeraunHI等人采用大氣等離子噴涂技術(shù)APS分別制備了Fe2SiB和FeNb涂層。研究發(fā)現(xiàn)，采用適宜的工藝參數(shù)可以獲得非晶/本文由論文聯(lián)盟搜集整理納米晶涂層。此外，參加B元素有利于進(jìn)步非晶的形成才能。向興華、穆曉東等人采用等離子噴涂技術(shù)制備了0.20.25的鐵基非晶合金涂層，研究了該涂層的耐磨、耐蝕性能。結(jié)果說明，該涂層主要由非晶相及少量淬火核結(jié)晶相組成，與基體結(jié)合良好，結(jié)合強(qiáng)度在27Pa左右，且孔隙率較低，氧化物含量較少，硬度較高。韓建軍、高振等人采用等離子噴涂技術(shù)在鍋爐管束的受熱外表制備了鐵基非晶涂層。此涂層孔

4、隙率較低，腐蝕電位較高，具有較好的耐蝕性。潘繼崗、樊自拴等人分別采用超音速火焰噴涂和等離子噴涂技術(shù)在0r13Ni5不銹鋼基體外表制備了一層鐵基非晶納米晶涂層和鐵基非晶合金涂層。研究發(fā)現(xiàn)，采用等離子噴涂技術(shù)制備的涂層不僅具有較高的硬度，而且還在涂層中彌散分布著納米顆粒，使得涂層的耐磨性優(yōu)于超音速火焰噴涂制備的涂層。本文以鐵基非晶合金涂層為主要研究對象，采用自主研發(fā)的高效能超音速等離子噴涂設(shè)備制備，研究涂層的組織構(gòu)造和性能，比照不同環(huán)境對涂層耐磨及耐蝕性能的影響，為鐵基非晶合金涂層在外表工程防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣奠定一定的基矗1實(shí)驗(yàn)1.1涂層制備圖1為HEPJet高效能超音速等離子噴涂系統(tǒng)構(gòu)造。該系

5、統(tǒng)的裝置組成根本上與普通等離子噴涂設(shè)備一樣，主要組成局部有電源、控制系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、送氣裝置、送粉裝置、噴槍及其他配套輔助設(shè)備。噴涂鐵基非晶粉末采用由北京桑堯技術(shù)開發(fā)消費(fèi)的純鐵基非晶粉末純度大于或等于99%，粒徑范圍為2535。鐵基非晶粉末呈均勻的球形，流動性較好，其微觀形貌如圖2所示?；w材料為調(diào)質(zhì)45#鋼860880淬火，420440回火，其硬度約為30HR，試樣線切割三維尺寸為10540。利用KQ2200DB型超聲波清洗儀清洗除去基體外表的油污，最后采用24目的棕剛玉進(jìn)展噴砂處理。噴砂間隔 約為200，噴射角度為6090。噴砂完畢后，停頓供砂，并用余氣吹去基體外表殘留的砂粒。需要注

6、意的是，必須在噴砂完畢后的2h內(nèi)進(jìn)展噴涂作業(yè)。圖3為鐵基非晶涂層粉末的EDS能譜圖。從能譜分析結(jié)果可以看到，粉末的主要元素有、r、Fe和，還含有少量的Si和元素。超音速等離子噴涂鐵基非晶涂層的最優(yōu)參數(shù)組合為氬氣流量為100L/in，噴涂功率為55k，噴涂間隔 為90，送粉率為25g/in。1.2表征采用Quanta200型掃描電鏡SE對粉末形貌和涂層微觀形貌進(jìn)展分析，并利用配套的射線能譜儀EDS分析涂層微區(qū)的化學(xué)成分；采用TS萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對涂層結(jié)合輕度進(jìn)展分析，采用LPUS三維形貌儀對涂層的磨痕形貌進(jìn)展表征；采用LYUS金相顯微鏡分析涂層的孔隙率，并用上海研潤公司的HVS-1000型顯微硬度

7、計(jì)測試涂層的顯微硬度；采用美國的ETR多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，并選用球盤式方法在干摩擦條件下測試涂層的摩擦磨損性能。2結(jié)果與討論2.1涂層組織構(gòu)造分析圖4所示為超音速等離子噴涂制備非晶涂層截面。從圖4a中可以看到，涂層整體光滑、平整、均勻、致密，且孔隙和雜質(zhì)較少。經(jīng)測試，涂層孔隙率低至0.6%，在單位噴涂次數(shù)下涂層平均厚度為356.8。從圖4b可以看出，黏結(jié)界面未見任何粗大孔隙或裂紋，涂層與基體鉚接結(jié)實(shí)、可靠，熔融的液滴狀粒子超音速飛行撞擊經(jīng)粗化的基體外表，迅速鋪展，并在冷卻后與基體產(chǎn)生良好的機(jī)械鉚合，再經(jīng)后續(xù)超音速態(tài)粒子的撞擊夯實(shí)作用強(qiáng)化，因此未出現(xiàn)層狀構(gòu)造和結(jié)合界面存在孔隙或裂紋缺陷等。涂層

8、結(jié)合強(qiáng)度平均值高達(dá)54.4Pa，高于普通等離子噴涂涂所制備涂層的結(jié)合強(qiáng)度。圖5為鐵基非晶涂層的顯微硬度沿深度方向的分布規(guī)律?？梢姡{(diào)質(zhì)45#鋼的顯微硬度約為350HV0.1，在涂層與基體結(jié)合處，顯微硬度明顯增大；在涂層內(nèi)部，其顯微硬度沿深度方向具有一定的波動，但總體分布在800870HV0.3之間，涂層的平均硬度為823HV0.3。涂層總體顯微硬度明顯高于普通鐵基合金涂層。2.2摩擦學(xué)性能圖6為一樣滑動摩擦條件下，鐵基非晶涂層在干摩擦條件下和在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的Nal鹽水溶液環(huán)境下摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化情況。從圖6可以看出，在鹽水環(huán)境下，鐵基非晶涂層的摩擦因數(shù)更低，且更加穩(wěn)定，隨著載荷的變化，

9、摩擦因數(shù)變化很校這很可能是Nal鹽水溶液起到了光滑的作用，防止了涂層和摩擦副之間的直接接觸，減小了摩擦阻力，在一定程度上降低了摩擦產(chǎn)熱的效應(yīng)。說明，鹽水環(huán)境有利于降低涂層的摩擦因數(shù)，提升其耐磨性。圖7為兩種條件下在一樣的施加載荷下涂層的磨痕形貌。從圖7ab中可以看出干摩擦條件下涂層磨痕較寬，而且剝落較為嚴(yán)重，并且在磨痕的頭部黏著的痕跡比擬明顯，涂層主要以發(fā)生黏著磨損為主。對涂層進(jìn)展線掃描來分析摩擦過程對涂層的影響，可以看到，經(jīng)過摩擦，與原先的涂層相比，氧元素含量增加。這說明，在摩擦過程中發(fā)生了一定的氧化?？赡艿脑蚴峭繉又械蔫F元素與空氣中的氧氣發(fā)生了反響。圖7d是在鹽水介質(zhì)下涂層的外表磨痕的SE照片。比照以上干摩擦條件下基體及涂層的磨痕形貌可以看到，在鹽水條件下，涂層表現(xiàn)出了很好的耐磨性，磨痕寬度是這三者中最小的，磨痕的頭部和尾部也幾乎沒有出現(xiàn)裂紋，對涂層基體的損傷最校從圖7e可以看到，在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后，磨痕旁邊區(qū)域出現(xiàn)了一定含量的氯離子。這說明，在磨損過程中，氯離子被加速浸透到