激光熔覆NiCr-ZrB2復合涂層結構及高溫摩擦學性能

激光熔覆NiCr-ZrB2復合涂層結構及高溫摩擦學性能摘要：

本文采用激光熔覆技術制備了NiCr-ZrB2復合涂層，并對其組織結構及高溫摩擦學性能進行了研究。結果表明，該涂層由NiCr基體、ZrB2顆粒和NiCr-ZrB2界面相組成，微觀結構緊密致密、界面結合牢固。在高溫摩擦學實驗中，該復合涂層的磨損率較低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定且具有較好的高溫抗氧化性能，表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。

關鍵詞：

激光熔覆；NiCr-ZrB2；復合涂層；高溫摩擦學

1.引言

高溫摩擦學涂層作為提高摩擦磨損性能的一種有效途徑，已成為研究的熱點。NiCr合金因其具有優(yōu)異的高溫力學性能、高耐熱性以及較好的抗氧化性能而被廣泛應用于高溫摩擦學領域。而金屬陶瓷復合涂層，由于其具有金屬基體和均勻分布的微米級非金屬顆粒相，既具有金屬材料的高強度、硬度，又具有非金屬陶瓷的高耐磨性、高耐熱性和高抗氧化性，因此成為高溫摩擦學涂層研究的重要方向。

本文采用激光熔覆技術制備NiCr-ZrB2復合涂層，研究了其結構與高溫摩擦學性能，并對復合涂層的摩擦磨損機理進行了探討。

2.實驗方法

2.1試樣制備

在Ti6Al4V鈦合金表面噴涂一層NiCr粉末，厚度為200μm，并將ZrB2顆粒均勻撒在NiCr粉末表面。利用激光熔覆設備將試樣進行涂覆，涂覆工藝參數(shù)為：激光功率1200W，掃描速度200mm/s，掃描軌跡輪廓形式為線性掃描。

2.2表征方法

利用掃描電鏡(SEM)觀察并分析復合涂層的顯微組織結構。采用X射線衍射(XRD)分析涂層的組分結構。采用高溫滑動試驗機器(HighTemperatureFrictionandWearTester,HTFWT)對涂層進行磨損測試。

3.結果與分析

3.1復合涂層的組織結構

復合涂層的SEM圖像如圖1所示，可以看出該涂層由NiCr基體、ZrB2顆粒和NiCr-ZrB2界面相組成，微觀結構緊密致密，界面結合牢固。

圖1NiCr-ZrB2復合涂層SEM圖像

3.2復合涂層的組成結構

復合涂層經過XRD分析后，可以看出復合涂層中含有NiCr基體、ZrB2顆粒等物質，其中NiCr基體強度最高，ZrB2顆粒強度最小，表明合金基體中有著優(yōu)異的力學性能，而非金屬陶瓷的硬度也較高。

3.3復合涂層的高溫摩擦學性能

本文采用高溫摩擦學實驗評價復合涂層的性能，實驗條件如下：研磨材料為Sapphire球，球的直徑為10mm，質量為4g，壓力為5N，滑動速度分別為1m/s和2m/s，摩擦溫度為500℃，不同重復試驗時鈦合金基材上的平均溫度上限不超過550℃。實驗結果如圖2所示，可以看出復合涂層的磨損率較低，摩擦系數(shù)穩(wěn)定，是一種良好的高溫摩擦學涂層。

圖2復合涂層的高溫摩擦學實驗結果

4.結論

本文采用激光熔覆技術制備了NiCr-ZrB2復合涂層，并對其組織結構及高溫摩擦學性能進行了研究。結果表明，該涂層由NiCr基體、ZrB2顆粒和NiCr-ZrB2界面相組成，微觀結構緊密致密、界面結合牢固。在高溫摩擦學實驗中，該復合涂層的磨損率較低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定且具有較好的高溫抗氧化性能，表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。此外，復合涂層的優(yōu)異性能可以歸因于NiCr和ZrB2優(yōu)異的力學性能。NiCr作為一種高強度的合金材料，在高溫下具有良好的力學性能和抗氧化性能，可以提高涂層的耐磨性和抗氧化性。ZrB2具有高硬度和良好的熱穩(wěn)定性，能夠提高涂層的耐磨性和耐高溫性能。同時，復合涂層中的NiCr-ZrB2界面結合緊密，可以提高涂層的結合強度和整體穩(wěn)定性。

需要指出的是，在高溫摩擦學實驗中，復合涂層的磨損率較低、摩擦系數(shù)穩(wěn)定和高溫抗氧化性能表現(xiàn)良好，但其摩擦學性能的優(yōu)良程度也會受到實驗條件的影響。因此，在實際應用中，需要綜合考慮涂層的成本、制備工藝和具體應用條件等多方面因素，以選擇最適合具體應用場景的涂層材料和制備工藝。此外，復合涂層還可以通過優(yōu)化材料、制備工藝和涂層結構來進一步提高其性能。例如，添加適量的添加劑可以改善涂層的抗熱疲勞性能和抗氧化性能，同時也可以減輕涂層的應力，提高涂層的結合強度和耐磨性能。此外，采用多層結構或納米復合涂層可以進一步提高涂層的抗磨性能和摩擦學性能。

除了在機械領域中的應用，復合涂層還可以應用于其他領域。例如，可將其用于航空航天領域的燃燒室、燃料儲罐和發(fā)動機部件等高溫部件的保護。此外，還可以將復合涂層用于電力、化工和冶金等領域的高溫設備，提高設備的耐磨性和高溫穩(wěn)定性。此外，還可以將其應用于醫(yī)療領域的醫(yī)療器械和人工關節(jié)等部件，提高其耐磨性和生物相容性。

綜上所述，復合涂層具有良好的耐磨性、抗高溫、抗氧化性能和摩擦學性能，在機械、航空航天、電力、化工和醫(yī)療等領域有著廣泛的應用前景。但需要指出的是，復合涂層的研究和應用仍需要進一步的深入探究和完善，以滿足不同應用場景的需求。對于復合涂層的材料選擇，有些情況下會優(yōu)先考慮環(huán)保和可再生材料，例如生物來源和生命循環(huán)評估。此類材料具有資源豐富、低成本、可再生以及環(huán)境友好等優(yōu)點，可以在工業(yè)應用、能源利用和環(huán)境治理等方面應用。

此外，隨著科技的進步，新型材料的涌現(xiàn)也為復合涂層的應用提供了更多的可能性。例如，金屬有機骨架材料（MOFs）、碳纖維、陶瓷纖維等新型材料都具有優(yōu)秀的高溫穩(wěn)定性、力學性能和熱導率等優(yōu)點，在復合涂層的制備中也具有很大的潛力。

此外，復合涂層的應用既受到材料本身的性能影響，也受到制備工藝和表面形貌的影響。因此，制備工藝的改進和升級也是提高涂層性能的重要途徑。例如，采用新型的制備方法，如等離子噴涂、離子束沉積等，不僅可以降低涂層的殘余應力，還能提高涂層的致密性和金屬間化合物的形成，從而提高涂層的抗高溫、耐磨性和抗氧化性能。

綜上所述，選擇合適的材料、結構和工藝，不斷優(yōu)化涂層設計和制備工藝，會對復合膜的性能提升和應用產生深遠的影響。隨著科技水平和實踐經驗的累積，相信復合涂層在未來仍將得到廣泛的應用和迅速的發(fā)展。除了材料選擇和制備工藝的影響外，復合涂層的性能還受到多種因素的影響，如涂層表面形貌、厚度、金屬間物相組織等。這些因素的控制對于提高涂層的性能至關重要。

在控制涂層表面形貌方面，需要使用先進的表面處理技術，例如等離子噴涂、離子束沉積和物理氣相沉積等技術。通過調整噴涂參數(shù)和工藝流程，可以控制涂層的結晶度、晶體尺寸和晶體方向，從而實現(xiàn)對涂層表面形貌和結構的精準控制。

涂層厚度的控制也是影響涂層性能的重要因素之一。過厚的涂層會增加組分不均勻、殘余應力、裂紋和脫落等問題。因此，在確定涂層厚度時，需要考慮材料的性質、應用環(huán)境和工藝條件等多種因素，以達到最佳的涂層性能。

在金屬間物相組織方面，需要采用適當?shù)慕M織控制手段來防止金屬間化合物在同質界面處過度晶長和晶