（材料加工工程专业论文）等离子喷涂制备Crlt3gtClt2gtNiCr与WCNiCr涂层及其结构性能.pdf

摘要 c r a c 2 2 5 n i c r 和w c 2 5 n i c r 金属基陶瓷涂层在高温下具有良好的耐磨 损、抗氧化性能，具有广泛的应用前景。本文以团聚型c r 3 c 2 2 5 n i c r 、 w c 2 5 n i c r 粉末为喷涂材料，采用等离子喷涂方法制备涂层。基于正交分析法 通过调节喷涂电压、喷涂电流和主气流量制备其涂层，系统的研究了等离子喷涂 工艺参数对涂层的显微结构、相结构、显微硬度、抗磨损性能的影响，分析了涂 层的磨损机制。c r 3 c 2 2 5 n i c r 涂层和w c 2 5 n i c r 涂层的正交优化工艺参数分 别为：喷涂电流7 0 0 a 、电压5 0 v 、主气流量4 0 l r a i n 和喷涂6 0 0 a 、喷涂电压5 0 v 、 主气流量4 5 l m i n 。研究表明，c r a c 2 2 5 n i c r 涂层和w c 2 5 n i c r 涂层显微组织 均匀致密，孔隙率分别为1 2 和0 5 ，二者的显微硬度为9 0 0 - 1 1 0 0 h v o 2 。等 离子喷涂c r a c 2 2 5 n i c r 涂层的主相为c r 7 c 3 ，c r 3 c 2 的脱碳不太明显；而 w c 2 5 n i c r 涂层发生了较为严重的脱碳，其主相为w 2 c 。载荷为2 5 k g 、低转速 2 0 0 r m i n 的干磨损条件下，c r a c 2 2 5 n i c r 涂层和w c 2 5 n i c r 涂层的磨损量分别 是配昌l j g c r l 5 的1 3 2 、1 2 5 ；载荷为1 5 k g 、转速2 0 0 r m i n 的干磨损条件下， c r 3 c 2 2 5 n i c r 涂层和w c 2 5 n i c r 涂层磨损量分别是基体q 2 3 5 的1 11 0 、1 8 2 。 在载荷为2 5 k g 、转速为2 0 0 r m i n 干磨损条件下c r 3 c 2 2 5 n i c r 涂层和 w c 2 5 n i c r 涂层摩擦系数均为o 3 3 。相同试验条件下，两种涂层摩擦系数基本 相同。涂层的摩擦系数随载荷增加而增加，随转速的提高而降低，且同等条件下， 涂层摩擦系数低于基体。c r 3 c 2 2 5 n i c r 涂层干摩擦条件下，轻载时主要是疲劳 磨损，兼有粘着磨损；重载时前期以粘着磨损为主，后期出现磨粒磨损；润滑下 涂层磨损机理主要是疲劳磨损。w c 2 5 n i c r 涂层干摩擦下磨损前期主要是疲劳 磨损，而后以粘着磨损和磨粒磨损为主；润滑下涂层磨损机理主要是疲劳磨损， 兼有磨粒磨损出现。 关键词：等离子喷涂；c r 2 c 3 2 5 n i c r ；w c 2 5 n i c r ；摩擦磨损；磨损机制 a b s t r a c t c r 3 c 2 2 5 n i c ra n dw c - 2 5 n i c rm e t a l c e r a m i cc o a t i n gh a v eab r o a dp r o s p e c t w i t hag o o dw e a rr e s i s t a n c e a n t i o x i d a t i o np e r f o r m a n c eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e t h i s p a p e rt a k e sc r 3 c 2 2 5 n i c fa n dw c 一2 5 n i c rp o w d e r sa ss p r a y i n gm a t e r i a l s c o a t i n gi sp r e p a r e db yr e g u l a t i n gt h es p r a y i n gv o l t a g e ，c u r r e n ta n dt h em a i ng a sf l o w r a t eb a s e do no r t h o g o n a la n a l y s i s t h ee f f e c tr e g u l a r i t i e so ft h es p r a yp a r a m e t e r s a n d t h es t r u c t u r e s p r o p e r t i e sa n da b r a s i o nr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n gi sa n a l y z e d t h ew e a r m e c h a n i s mo ft h ec o a t i n gi sd i s c u s s e d t h ep a r a m e t e r st h a to p t i m i z et h es p r a yo f c r 3 c 2 2 5 n i c ra n dw c 一2 5 n i c r c o a t i n g a r e7 0 0 a 5 0 v 4 0 l m i na n d 6 0 0 a x 5 0 v x 4 5 l m i n r e s e a r c hs h o w st h a tt h e c o a t i n go fc r 3 c 2 2 5 n i c ra n d w c - 2 5 n i c rh a su n i f o r ma n dd e n s em i c r o s t r u c t u r e ，p o r o s i t yr a t ei s1 2 a n do 5 ， t h em i c r o h a r d n e s s9 0 0 110 0 h v 02 d e c a r b o n i z a t i o no fc r 3 c 2i sl e s so b v i o u so fw h i c h m a i np h a s ei sc r 7 c 3 t h ed e c a r b o n i z a t i o no fw c - 2 5 n i c rc o a t i n gi sm o r es e r i o u s t h em a i np h a s ei sw 2 c c r 3 c 2 - n i c rc o a t i n ga n dw c - n i c rc o a t i n gp o s s e s sb e t t e rw e a r r e s i s t a n c et h a ng c r l 5 u n d e rt h el o a d i n go f2 5 k g ，l o w s p e e d2 0 0 r m i n ，t h ew e a r r e s i s t a n c eo ft h et w oc o a t i n g si sr e s p e c t i v e l y3 2t i m e sa n d2 5t i m e so ft h a to fg c r i5 a n d110a n d8 2t i m e so fm a t r i xq 2 3 5 t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to fc r 3 c 2 2 5 n i c ra n d w c 一2 5 n i c rc o a t i n gi so 1 3 0 3 3 u n d e rt h es a m et e s tc o n d i t i o n s t h et w oc o a t i n g s f r i c t i o nc o e f f i c i e n ti s b a s i c a l l ys a m e t h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o no fc o a t i n gi n c r e a s e s w i t hl o a d ，r e d u c e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs p e e d ，a n di ss m a l l e rt h a nt h em a t r i xo nt h e s a l t l ec o n d i t i o n u n d e rl i g h tl o a d ，t h ed r yw e a rf a i l u r ef o r mo fc r 3 c 2 - n i c rc o a t i n gi s f a t i g u ec r a c k i n ga c c o m p a n i e db ya d h e s i v ew e a r u n d e rh e a v yl o a dt h em a i nf o r mi s a d h e s i v ew e a ra n da b r a s i v ew e a r u n d e rt h el u b r i c a t i o nc o n d i t i o nt h ef o r mi sf a t i g u e w e a r t h ed r yw e a rf a i l u r ef o r mo fw c - n i c rc o a t i n gi sf a t i g u ec r a c k i n gt h e nc h a n g e s 一 一j l一一 一 i n t oa d h e s i v ew e a ra n da b r a s i o nw e a r u n d e rt h el u b f i c a t i o nc o n d i t i o nt h ef o r mi s f a t i g u ew e a ra c c o m p a n i e db ya d h e s i v ew e a r k e yw o r d s ：p l a s m as p r a y i n g ，c r 3 c 2 - 2 5 n i c r , w c 一2 5 n i c r , t r i b o l o g i c a l p e r f o r m a n c e ，w e a rm e c h a n i s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞叁茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豫鸸搿签字日期：硝年f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨室盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：逻弼溽 导师签名呵未易乞 签字日期：妒年石月万日 签字日期：力纠g 年多月g 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 摩擦与磨损( f r i c t i o na n dw e a r ) 是一种普遍存在的现象，凡两个或两个以 上物体相互接触并相互运动的表面都会发生摩擦或磨损。 摩擦磨损是研究材料相对运动和相互作用的表面科学技术，涉及影响的因素 很多，是- - f - j 多学科、跨学科的边缘科掣1 1 。摩擦导致大量机械能的损耗，而磨 损则是机械零件失效的一个重要原因。据统计，工业化国家能源的3 0 消耗于 摩擦。对一个高度工业化的国家，每年因摩擦磨损所造成的经济损失几乎占国民 经济年产值的l 2 。在我国，由于损失在汽车、拖拉机以及电力、采矿、建 筑等行业造成的材料损耗的数量也是很大的、至于能源的消耗，仅据大庆油田的 粗略估计，油田每年总能耗的l 3 1 2 ，是因无功损耗而消耗掉的。因此，摩擦 磨损的研究是一个很重大社会经济效益的课题【2 j 。 摩擦磨损自古以来就存在。人们一直在力图控制它们。随着工业的发展，特 别是在现代工业的技术中，高速、重载的运转条件，核反应堆、宇宙飞船那样的 恶劣工作环境，对摩擦磨损提出了越来越高的要求，为这门新兴学科的发展提供 了强大动力，使以摩擦磨损为主要内容的摩擦学获得了高速发展。 材料的磨损始于表面，表面性能使决定材料耐磨性的关键。利用表面工程技 术提高材料耐磨性能一直使新型复合材料领域的热点。从材料表面来研究提高耐 磨性：一是研究具有良好机械特性的表面改性材料及工艺手段；二是具有非金属 性质摩擦面的耐磨性能及其应用研究。在机械性能的诸多指标中，与摩擦磨损关 系最密切的性能参数是硬度，在大多数情况下磨损率都会随硬度的提高而降低。 非金属的摩擦面是通过物理或化学的作用来减小磨损的。对于钢材，一般通过各 种表面技术如渗硫、碳、氮、热喷涂层、物理气相沉积、化学气相沉积及离子注 入等，使材料表面形成氮化物、氧化物、硫化物、碳化物以及它们的复合化合物 的表面层，这些表面层可以抑制摩擦过程中摩擦副两个零件之间的粘附、熔附以 及由此引起的金属转移现象，从而提高其耐磨性睁j 。 本文应用等离子喷涂方法，在钢铁基体上形成高硬度和防粘着的涂层，以期 改善基体的耐磨性能。 第一章绪论 1 2 等离子喷涂技术及其发展 1 2 1 等离子体概述 自然界除了固、液、气三种形态外，还广泛存在着物质的第四态一等离子体， 如太阳，极光等。当气体电离度大于0 1 时，正离子和电子数量增多且相等，其 空间电荷为零，呈中性状态。把处于这种状态下的气体称为等离子体。等离子休 有三个基本特点：即很强的导电性、电准中性与磁场的可作用性。 等离子体是一个广义概念。等离子喷涂技术中所述的等离子体是指气体经过 压缩电弧后形成的高温等离子体，亦称热等离子体。 1 2 1 1 等离子弧的物理基础 电弧有两种形态，即自由电弧和压缩电弧，所谓等离子弧则是指压缩电弧。 等离子弧与自由电弧的区别如表1 1 所示。 表1 1 电弧形态特征 类型特征 自由电弧 压缩电弧 电弧燃烧不受任何约束，电弧温度一般在5 0 0 0 6 0 0 0 k 电弧燃烧由冷却喷嘴的约束作用而存在机械压缩效应、热压缩效 应、自磁压缩效应。电弧温度可达3 1 0 4 k 1 2 1 2 等离子弧的形式 ( 1 ) 非转移型等离子弧简称为非转移弧( 图1 1 a ) ，它是在阴极和阳极( 喷嘴) 内表面之问形成的，而工件不带电。等离子弧在喷嘴内部不延伸出来，当连续送 入的工作气体穿过电弧后，就从喷嘴中喷射出高温焰流。非转移弧常用于喷涂、 表面处理以及焊接或切割较薄的金属或非金属。 ( 2 ) 转移型等离子弧简称转移弧( 图1 1 b ) ，它是在阴极和工件之间形成的， 在引弧时要先用喷嘴接电源正极，产生小功率的非转移弧，而后工件转接正极将 电弧引出去，同时喷嘴断电。转移弧有良好的压缩性，能量集中，电流密度和温 度都高于同样焊枪结构同样功率的非转移弧。转移弧主要用于切割、焊接和堆焊。 ( 3 ) 联合型等离子弧由转移弧和非转移弧联合组成( 图1 1 c ) ，一般非转移 弧作为辅助热源，起着引燃转移弧及预热金属粉末的作用；转移弧主要用来加热 粉末和工件，使喷出的粉末迅速进入熔池与工件熔合。它主要用于电流在1o o a 以下的微弧等离子焊接，以提高电弧的稳定性，在进行等离子堆焊时，联合型等 离子弧可以提高粉末的熔化速度，减少熔深和焊接热影响区。 2 第一章绪论 ( b ) ( c ) 图i - 1等离子弧的3 种形式( a ) 非转移型等离子弧，( b ) 转移型等离子弧，( c ) 联合型 等离子弧 1 2 1 3 等离子弧的特性 ( 1 ) 温度高，能量集中。等离子最大特点之一是具有非常高的温度和能量 密度。在等离子中心温度最高达3 2 0 0 0 k ，在喷口处中心温度已达2 0 0 0 0 k 。等离 子弧温度高、能量集中的特点有很大的应用价值，在喷涂或焊接、堆焊时可以熔 化任何金属或非金属，可以获得高的生产率，还可以减小工件变形，减少热影响 区等。 ( 2 ) 焰流速度高。进入喷枪中的工作气体被加热到上万度高温，体积剧烈 膨胀，因而等离子焰流自喷枪中高速喷出，在喷嘴附近的喷射速度可达亚音速或 超音速，具有很大的冲击力，这对切割和喷涂工艺比较有利。美国研制的高能等 离子喷涂装置，功率为8 0 k w 时，焰流速度可达3 马赫。 ( 3 ) 稳定性好。由于等离子弧是一种压缩型电弧，弧柱挺拔、电离度高因 而电弧位置、形状以及弧电压、弧电流都比自由电弧稳定，在弧柱较长时仍能保 持稳定燃烧，没有自由电弧易于飘动的缺点，不易受外界因素于扰，这对保证喷 涂、焊接、堆焊、切割等的质量有重要意义。 ( 4 ) 调节性好。压缩型电弧可调节因素较多，可以在很广的范围内稳定工 作以满足各种电弧等离子工艺的要求，这是自由电弧所不能达到的。例如，变换 工作气体的种类可以得到氧化、中性或还原气氛；改变喷嘴尺寸、控制气体流量、 调节电压参数可以控制等离子弧的刚柔性，以保证在切割及喷涂时获得焰流速度 高、冲击力大的刚性弧，在焊接时获得刚柔适中的等离子弧。此外，通过调节等 离子喷涂设备的电功率可灵活地调节焰流温度和喷射速度，以适应不同材料的需 要。 第一章绪论 1 3 等离子喷涂原理及特点 1 3 1 等离子喷涂的原理嗍 大气等离子喷涂简称等离子喷涂( a p s ) ，喷涂原理如图1 2 所示。等离子 喷涂通过等离子喷枪来实现，喷枪的喷嘴( 阳极) 和电极( 阴极) 分别接电源的 正、负极，喷嘴和电极之间通过工作气体，借助高频火花引燃电弧。电弧使气体 加热并使之电离，长生等离子弧，气体热膨胀由喷嘴喷出高速等离子射流。送粉 气将粉末从喷嘴内或外送入等离子射流中，被加热到熔融或半熔化状态，并被等 离子射流加速，以一定速度喷到经预处理的基体表面形成涂层。 1 阴极2 阴极夹头3 绝缘体4 一喷嘴( 阳极) 5 喷涂层6 工件7 等离子弧焰流 图1 2 等离子喷涂原理图 1 3 2 等离子喷涂的特点5 1 ( 1 ) 零件无变形，不改变基体金属的热处理性质。由于喷涂时零件不带电， 基体金属不熔化，所以尽管等离子焰流的温度较高，但若工艺得当，控制零件温 升不超过2 0 0 则零件不会发生变形，这对于薄壁件、细长杆以及一些精密零件 的修复是十分有利的。 ( 2 ) 涂层的种类多。由于等离子焰流的温度高，可以将各种喷涂材料加热 到熔融状态因此可供等离子喷涂使用的材料非常广泛，从而也可以得到多种性能 的涂层，如耐磨涂层、隔热涂层、抗高温氧化涂层、绝缘涂层等等。就涂层的广 泛性来说，氧乙炔火焰喷涂、电弧喷涂、高频感应喷涂和爆炸喷涂都不及等离 子喷涂。 ( 3 ) 工艺稳定，涂层质量高。等离子喷涂的各工艺参数都可定量控制，因 4 第一章绪论 而工艺稳定涂层再现性能好。在等离子喷涂中，熔融状态粒子的飞行速度可达 1 8 0 - 4 8 0 m s ，远比氧一乙炔火焰粉末喷涂时的粒子飞行速度4 5 - 1 2 0 m s 高。等 离子喷涂层与基体金属的结合强度通常为4 0 - - 7 0 m p a ，涂层孔隙率可控制在 1 - - - 1 0 ，而氧一乙炔火焰喷涂涂层与基体余属的结合强度一般为5 i o m p a 。 由寸等离子喷涂时可以改换气体控制气氛，因而涂层中的氧含量或氮含量可以大 大减少。 此外，等离子喷涂还和其他喷涂方法一样，具有零件尺寸不受限制，基体材 质广泛，加工余量小，可喷涂强化普通基材零件表面等优点。 1 3 3 等离子喷涂的发展和展望 等离子喷涂自二十世纪五十年代以来，技术进步和生产应用发展很快，自二 十世纪六十年代等离子物理应用于热喷涂以来，等离子喷涂得到了飞速的发展， 尤其是七十年代初期以后，其发展可以说是突飞猛进。从空气等离子喷涂和水稳 等离子喷涂发展到真空等离子喷涂以及后来的超音速等离子喷涂和反应等离子 喷涂、微束等离子喷涂等。从喷涂的材料上来看，经历了喷涂纯金属粉末、合金 粉末、陶瓷粉末和复合材料粉末的发展。等离子喷涂在传统的耐磨、耐热、抗氧 化腐蚀方面已经有了广泛的应用，近年来正试图在生物、超导和复合材料等高 科技领域发挥特长，而且取得了一定的应用。喷涂耐高温陶瓷是目前发展的热点， 而复合材料和金属间化合物的喷涂也有增大的趋势。在一系列的技术领域里，等 离子涂层所显示的独特优越性已经引起越来越多的工业部门的重视，故在航空、 冶金、机械、机车车辆等部门得到广泛的应用1 6 1 。特别是在三个重要产业( 汽车、 钢铁、能源) 方面得到了令人瞩目的成功 1 0 - 1 2 。在热喷涂技术中等离子喷涂占据 着最重要的地位。 等离子喷涂喷枪也在不断地改进，大多主要是为了保证喷涂粉末被充分加热 和提高熔融粒子的喷射速度i l3 1 ，改进方法包括： ( 1 ) 将喷嘴加长，使射流的温度和速度均匀化； ( 2 ) 双阴极等离子喷涂，可大大调整流速和热烩： ( 3 ) 三阴极等离子喷涂，使粉末在边缘处也被充分加热； ( 4 ) 气体隧道等离子喷涂，通过涡流来形成一气体隧道使等离子射流能量 密度提高。 针对喷涂粉末和等离子喷涂处理过程进行数学分析和计算机模拟并对其实 行智能化控制。电力和电子技术的发展也不断使新型的功能器件得到应用，使设 备高效、节能和小型化，并具有优良的动态调节性能和控制方便等优点。 等离子喷涂参数多达几十种，而且有些之间相互影响。如何对喷涂工艺的控 第一章绪论 制实现智能化，并对喷涂过程实施在线反馈控制做出及时调整是一个有待深入解 决的问题。近年来随着计算机技术的进步，对等离子喷涂过程和涂层的计算机模 拟也有较大的发展 1 4 - 1 6 】 1 4 热喷涂金属陶瓷涂层的研究发展 1 4 1 金属陶瓷材料概述 用于制备耐磨涂层的陶瓷材料主要是氧化物、碳化物。表1 - 2 列出了常用特 喷涂陶瓷粉末的性能及用途。 表1 2 常用热喷涂陶资粉末的性能及用途 类材料比重 熔点沸点热膨胀系数性能及用途 别 g c m l o 曲叫 氧化铝5 2 12 7 6 57 3 0 09 6 性能：高强度、高硬学性能稳定， ( a ( 2 0 耐热、隔热为提高涂层韧性及抗冲 一a 1 2 0 3 ) 1 4 0 0 。c )击性，可与氧化钛等混合或与镍铝 复合。 用途：泵类密封面、轴类表面、高 炉风口及出渣口等。 氧化锆 5 5 62 7 0 0 4 3 0 0 5 5 ( z r 0 2 ) ( 2 0 氧 2 8 5 01 2 0 0 ) 化 物 氧化铬 5 2 12 7 6 57 3 0 0 9 6 ( c r 2 0 3 )( 2 0 1 4 0 0 ) 碳化钨 1 5 7 7 2 8 6 7 6 0 0 0 ( w c ) 霍 碳化铬6 6 81 8 9 03 8 0 0 物( c r 3 c 2 ) 6 2 ( 2 5 8 0 0 ) l o 3 ( 2 5 9 5 0 ) 性能：耐热性好、热稳定性好，在 一个大气压下，2 0 0 0 时，z r 0 2 的 分解率为0 1 ，3 0 0 0 c 时为l o ， 在所有高温耐热材料中，z r 0 2 热稳 定性最好，导热率低。 用途：耐热、隔热( 热障) ，用于绝 缘层。 性能：涂层高温耐磨，加热至 2 0 0 0 时开始剧烈蒸发；耐热蚀及 化学稳定性极佳，对酸碱耐蚀性好 用途：化工行业中输液泵柱塞、耐 磨环、轴套及化纤行业中的绕丝棍 磨面。 性能：耐磨性好。w c 颗粒分布在 涂层中，与f e 、c o 、n i 润湿性好。 用途：耐磨涂层。 性能：抗冲蚀、气蚀、微振和磨粒 磨损，良好的耐腐蚀性。 用途：耐磨涂层。 6 第一章绪论 金属陶瓷，是一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质的复合 材料，其中后者约占1 5o a 8 5 ( 体积) ，同时在制备的温度下，金属和陶瓷相 之间的溶解度相当小【l 7 1 。它既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、 抗氧化和化学稳定性等特性，又有较好的金属韧性和可塑性，是一类非常重要的 工具材料和结构材料。 为了使金属陶瓷同时具有金属和陶瓷的优良特性，首先必须有一个理想的组 织结构，要达到理想的组织结构，就得注意以下几个主要原则副：( 1 ) 金属对陶 瓷相的润湿性要好。金属与陶瓷颗粒间的润湿能力是衡量金属陶瓷组织结构与性 能优劣的主要条件之一，润湿力愈强，则金属形成连续相的可能性愈大，金属陶 瓷的性能愈好。( 2 ) 金属相与陶瓷相应无剧烈的化学反应。金属陶瓷制备时如果 界面反应剧烈，形成化合物，就无法利用金属相改善陶瓷抵抗机械冲击和热震动 的性能。( 3 ) 金属相与陶瓷相的膨胀系数相差不可过大。金属陶瓷中的金属相和 陶瓷相的膨胀系数相差较大时，会造成较大的内应力，降低金属陶瓷的热稳定性。 1 4 2 热喷涂金属陶瓷涂层的研究发展 1 4 2 1 热喷涂c r 3 c 2 - n i c r 涂层的研究发展 作为热喷涂材料，c r 3 c 2 - n i c r 有不同的结构与组成。在结构上，分为混合型 及包覆型，前者是n i c r 与c r 3 c 2 作为一个组份按一定粒度及重量的要求混合而成。 这种型式c r 3 c 2 - n i c r 粉己应用多年，至今仍占据重要地位。包覆粉出现于八十年 代初，它是利用化学及冶金方法将c r 3 c 2 和n i c r 两种组份包覆在一起，成为一种 复合粉。这种粉末在喷涂时减少了失c 的可能性，并使涂层均质化程度提高，质 地均匀。c r 3 c 2 n i c r 粉的组成，主要是指两组份之间的比例。n i c r 合金本身，通 常选用8 0 n i 2 0 c r ，而n i c r 合金的含量，可由0 增至5 0 ，随着n i c r 的增高， 涂层的韧性加大，但硬度降低，耐磨性较差，只有二者比例适当才恰到好处【l 9 1 。 c r 3 c 2 - n i c r 具有良好的耐热耐蚀性，在金属碳化物中抗氧化能力最强，在空 气中只有在1 1 0 0 1 4 0 0 才一开始显著氧化，在高温条件下依然保持相当高的 硬度。c r 3 c 2 还具有很强的耐蚀性和耐磨性，在稀硫酸溶液中是1 c r l 8 n i 9 t i 不锈 钢耐蚀性的3 0 倍，而在蒸汽中则是w c c o 合金的5 0 倍。 纪岗昌1 2 0 j 等采用橡胶轮磨损试验机对三种不同工艺制备的c r 3 c 2 2 5 n i c r 涂层进行了磨粒磨损试验。结果表明：该涂层的磨粒磨损量与磨损时间基本上呈 线性关系，磨损率远远低于低碳钢。涂层的磨损机制主要为先期的粘结相优先切 削和随后的碳化物脱落。其中的碳化物剥落对磨损过程起制约作用。 李剑锋【2 1 1 等采用m m 2 0 0 块环滑动磨损试验的方法，测定了等离子喷涂 7 第一章绪论 c r 3 c 2 - n i c r 涂层对烧结a 1 2 0 3 、热压烧结s i 3 n 4 、s i c 和等离子喷涂t i 0 2 涂层等四种 陶瓷材料在干摩擦条件下的滑动摩擦系数和磨损最，利用s e m 、e d s 和x r d 等技 术，观察和分析了摩擦副材料在磨损后的形貌、物质转移和物相转变，讨论了摩 擦副材料的显微结构和某些物理性能、机械性能对c r 3 c ：- n i c r 涂, 层摩擦磨损行为 的影响，结果表明：涂层与不同陶瓷对磨，不仅其磨损量相差很大，而且其摩擦 磨损机理也不相同，c r 3 c 2 - n i c r 涂层与a 1 2 0 3 陶瓷不相容，在与a 1 2 0 3 的摩擦过程 中，涂层表现出显著的粘着磨损。c r a c 2 - n i c r 涂层与s i 3 n 4 对磨，涂层的磨损主要 表现为氧化磨损。c r 3 c 2 - n i c r 涂层与s i c 对磨，涂层的磨损主要表现为受硬s i c 颗 粒犁凿和挤压所导致的颗粒断裂，氧化磨损仅起次要作用。c r a c 2 n i c r 涂, 层与t 0 2 对磨，涂层的磨损主要受t i 0 2 转移层的粘着脱落控制，摩擦磨损过程中t i 0 2 涂层 向c r 3 c 2 - n i c r 涂层表面的转移，有利于提高c r 3 c 2 - n i c r 涂层的耐磨能力。配对陶 瓷的显微颗粒尺寸和弹性模量愈小，导热系数愈高，则与c r 3 c 2 - n i c r 涂层的配 对性能愈好。 张展宇【2 2 】等采用超音速火焰喷涂的方法制备t c r 3 c 2 m i c r 涂, 层，并对涂层的 显微硬度、微观形貌、结合强度、抗高温氧化性能进行了检测，结果表明：涂层 具有良好的机械及物理性能。 徐润生【2 3 】等采用高速火焰喷涂的方法制备了c r 3 c 2 - n i c r 涂层，同时对涂层进 行涂盐腐蚀。并采用s e m 、x r d 以及能谱分析进行了腐蚀试件的分析，结果表 明：涂层能起到保护基体的作用，生成的连续、致密的c r 2 0 3 有效地阻止了涂层 的进一步氧化。 李剑锋【2 4 】等研究了等离子喷涂c r 3 c 2 n i c r 涂层的维氏硬度，结果表明：涂层 基体与涂层结合处的硬度低于涂层主体部分，在涂层横截面上易发生层间裂纹扩 展，这与涂层的气孔率分布有关。 分析认为，c r 3 c 2 n i c r 涂, 层具备良好的显微形貌、力学性能、抗高温氧化及 抗磨损能力，并且已经应用到了冶金、航空、发电等领域，c r 3 c 2 - n i c r 热喷涂材 料的研制开发，正是基于我国这些相关行业的急迫需要而实施的。 1 4 2 2 热喷涂w c n i c r 涂层的研究发展 w c 是制造硬质合金的主要原料，也是热喷涂领域制备高耐磨涂层的重要原 料粉末。 w c 硬度高，特别是其热硬度最高。它能很好的被c o 、n i 、f e 等金属熔体润 湿。升高温度至金属熔点以上时，w c 能溶解在这些金属熔体中，而当温度降低 时，又能析出w c 。这些优异的性能，使它能用钴或镍等金属作为粘结相材料， 经高温烧结或包覆处理，形成耐磨性很好的耐磨涂层。w c 在常温下具有相当高 第一章绪论 的硬度，且至1 0 0 0 。c 其硬度也下降较小，失高温硬度最高的碳化物。w c 的主要 缺点是抗高温氧化能力差，在5 0 0 一- 8 0 0 c 空气中遭受严重氧化，在氧化性气 氛中受强热易分解为w 2 c 和碳，即所谓的“失碳”。这可通过用买热抗氧化的金属 做包覆层或粘结相，对w c 颗粒进行预保护；也可与t a c 、t i c 等固溶形成复合碳 化物，改善w c 的耐热抗氧化性能。w c 在a r 气氛中加热至2 8 5 0 仍然稳定，在 高温氮气中亦不受影响1 2 5 j 。 王长生和杨蕴林1 2 6 j 曾研究在n i 6 0 自熔合金中加入w c 的喷焊层的抗磨粒磨 损性能，结果表明w c 可明显提高其喷焊层的抗磨粒磨损性能。 王慧等人1 27 】曾研究含碳化钨硬相镍基涂层耐磨粒磨损性能，结果表明这种涂 层具有很好的抗磨粒磨损性能。 苏显1 2 副进行了爆炸喷涂w c n i 涂层工艺与组织性能的研究，结果表明：涂层 耐磨性能优良；涂层的硬度与涂层材料有关外，还与涂层中硬质颗粒的数量、形 状大小及分布状态有关，数量越多，形状越小，分布越均匀且致密，硬度越高。 查家宁等人【2 9 】研究了w c n i 金属陶瓷的组成，显微组织和硬度及摩擦学条件 对其高温摩擦学性能的影响，并且发现w c - n i 材料在高温下摩擦时，表面生产了 含氧化物n i w 0 4 和w 0 3 ，故其摩擦磨损性能比长温下的好。试验结果表明，n i w 0 4 有高温减磨作用，w 0 3 有抗磨作用；w c - n i 材料中的n i 含量为4 0 ( 叭) 时， 其在载荷3 9 2 n 、速度l m s 、温度6 0 0 。c 下摩擦形成的表面膜比较均匀连续，摩 擦系数最低。 陈德永等人1 3 0 j 详细论述了w c n i 硬质合金德特性、发展及其应用。与w c c o 合金相比较，w c n i 合金的耐腐蚀、抗氧化性优良，力学性能比w c c o 要差。 陈爱智等人1 3 l j 研究了镍基w c 陶瓷涂层的干滑动摩擦磨损性能，试验结果表 明，含w c 硬质相的镍基复合涂层的耐磨性和摩擦系数都高于基体h t 2 5 0 ，其原 因是涂层具有较高的硬度和较好的韧性。 陈传忠1 3 2 】分析了w c n i 6 0 a 等离子喷涂涂层的相结构，结果表明：涂层组织 呈片层状，在n i 基合金片层中的镍基固溶体上析出了大量高密度弥散分布的 m 7 c 3 ，m 2 3 c 6 及n i 3 b ：由于等离子喷涂温度较高，w c 大部分熔化并与n i 包覆层 互溶，发生高温分解，在n i 包w c 片层中形成了弥散程度很高的m 6 c 及a - w 2 0 。 曾晓燕等人1 3 3 l 研究了激光熔覆n i w c 金属陶瓷层的耐磨性，结果表明：碳化 钨颗粒的种类、粒度与含量对金属陶瓷激光熔覆层的耐磨性能影响明显，熔覆层 耐磨性能随碳化钨含量的变化趋势取决于碳化钨颗粒的种类。 9 第一章绪论 1 5 选题意义及主要研究内容 1 5 1 选题意义 随着高新技术的不断发展，工程机械、设备及构件的工作条件变得日益苛刻， 如水轮叶片，水电站闸门以及造纸磨浆机的磨盘等，它们不仅工作在强的腐蚀环 境中，同时又不断运动、转动，承受着不同介质的冲击与磨损。一般的抗腐蚀涂 料由于所形成的涂层没有足够的机械强度与耐磨性，在受到长时间冲击与机械作 用后，会很快磨损，乃至剥落而失去对基材的保护作用，因而只能应用于静态工 件上。耐磨陶瓷涂层则由于兼有良好的抗腐蚀作用与优异的机械耐磨性能，已成 功地应用于上述复杂的动态工作环境中，且应用范围越来越广，发展前景相当广 阔。 在材料表面改性技术中，等离子喷涂利用等离子焰流作为热源，将喷涂材料 加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子焰流的曳引下，高速撞击到工件表面上， 经淬冷凝固后与工件相结合形成涂层。等离子弧是一种高能密束热源，电弧在等 离子喷枪中受到压缩，能量集中，具有温度高( 弧柱中心温度高达1 5 0 0 0 3 3 0 0 0 k ) 、 焰流速度高、稳定性好、调节性好、且本身工作气体( a r 、n 2 及h 2 ) 为惰性或 还原性气体，具有一定抗氧化作用，特别适合于陶瓷等高熔点材料的喷涂，成为 目前制备陶瓷涂层最主要的方法。 团聚制粉法：采用有机粘结剂将微细原料粉末制备成浆料，通过造粒装置将 微细粉末聚合在一起构成粒度适合于热喷涂的粉末。粉末呈呈多孔性，其形貌呈 球形，流动性好、由于多孔特点，比表面积大，喷涂过程中加热速度快，喷涂效 率高【3 4 】。 由于团聚致密化工艺制备的粉末，粘结相( n i c r ) 对碳化物的包覆较好，粒子 随火焰飞行过程中粘结相熔化较好，而碳化物因受粘结相的包覆熔化程度有所降 低。同时，原始粉末中碳化物颗粒均匀而细小，使得粒子与基体碰撞过程中碳化 物颗粒反弹程度降低，易于获得碳化物颗粒细小、含量高、且与n i c r 基体结合强 度较高的涂层结构，从而具有较高的抗磨料磨损性能。而机械混合工艺制造的粉 末n i c r 粘结相对碳化物颗粒的包覆程度较差，喷涂过程中易于出现n i c r 粘结相和 c r 3 c 2 颗粒分离沉积，因此喷涂过程中碳化物熔化和反弹损失程度较高，导致涂 层中碳化物数量减小而降低其磨损性能，相对的包覆粉虽然对碳化物颗粒的保护 较好，但是成本高。 本文选择团聚型c r 3 c 2 2 5 n i c r 、w c 一2 5 n i c r 作为涂层材料，系统的研究 了等离子喷涂条件下的干滑动摩擦磨损、润滑条件下摩擦磨损特性，以期为工程 1 0 第一章绪论 背景的合理选材提供理论依据。 1 5 2 研究内容 本文以团聚型c r 3 c 2 2 5 n i c r 、w c 2 5 n i c r 粉末为喷涂材料，采用等离子 喷涂方法基于正交分析法通过调节喷涂电压、喷涂电流和主气流量制备其涂层， 系统的研究了等离子喷涂工艺参数对涂层的显微结构、相结构、显微硬度、抗磨 损性能的影响，分析了涂层的磨损机制。 第二章涂层制备设备及测试分析方法 第二章涂层制备设备及测试分析方法 2 1 涂层材料选择 根据摩擦表面的磨损过程及其破坏机理，可将磨损分为磨粒磨损、粘着磨损、 腐蚀磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损和高温磨损。各类磨损的特点及其对 涂层材料的性能要求见表2 1 所示 表2 - 1 磨损种类、特点及其对涂层性能的要求【5 】 涂层物理力学性能要求基体与涂层良好的结合是保证涂层具有优异的使用 性能，保证工件正常工作的前提条件，因此，在设计耐磨涂层时，应保证热膨胀 系数的匹配性。如果涂层与基体材料的热膨胀系数不匹配，就会因温度变化而产 生应力。涂层与基体由于热膨胀系数不匹配而产生的热应力集中在涂层，热膨胀 系数差别越大，涂层中的应力就会越大，产生裂纹甚至剥落的倾向性就越大。这 就是许多耐磨涂层尚未遭受严重磨损就发生过早剥落失效的主要原因之一。当基 体的热膨胀系数大于涂层的热膨胀系数时，在升高温度时产生的应力为拉应力； 第二章椽层制备设备及测试分析方法 反之若涂层的热膨胀系数大于基体刚，则为压应力。常温磨损选择的基材金属 为q 2 3 5 ，其热膨胀系数为：1 2 1 9 1 0 4 1 ；高温磨损选择的基体金属为 i c r l8 n i 9 t i ，其热膨胀系数为：1 70 1 0 + 。 涂层耐磨性要求有以下几个方面。 ( 1 ) 涂层硬度。沫层硬度增高，抗磨粒磨损性能增强，涂层的磨粒磨损速 率与涂层硬度成反比。若涂层硬度超过磨粒颗粒的硬度磨粒磨损速率急剧下降。 因此，在磨粒磨损的工况下，应尽可能提高涂层硬度。 ( 2 ) 耐高温磨损性能。当硬质涂层用作耐高温磨损工况时，不仅具有高的 高温硬度，而且涂层与对偶摩擦材料之间的化学溶解度要小。 ( 3 ) 耐腐蚀磨损性能。耐磨涂层工作在腐蚀性介质中时，要求耐磨涂层同 时具有优异的耐蚀性能。许多硬质涂层尤其是氧化物和碳化物等陶瓷涂层是耐腐 蚀磨损涂层的优质材料。 ( 4 ) 涂层颗粒之间的结合强度。硬质涂层颗粒之间应具有高的结合强度。 例如，w c n i c r 金属陶瓷涂层是很著名的耐磨涂层材料，n 耐w c 等硬质颗粒的 润湿性极好，因而使w c 颗粒能牢固的粘结在一起，不会发生剥落，在这种前提 条件下，才能充分发拌w c 硬质相的高耐磨特性9 。 根据本试验目标，选择团聚型c r 3 c 2 - 2 5 n i c r 、w c - 2 5 n i c r 作为喷涂材料， 粒度为一15 4 0 f a m ，如图2 - l 、图2 - 2 。表2 - 2 为试验中应用到的各材料物理性能。 ( a ) ( b ) 图2 - 1c r 3 c 2 - 2 5 n i c r 糟末s e m 图片( ( a ) 低倍，( b ) 高倍 从图2 - 2 上可以看到：粉体呈球形或椭球形，具有较好的流动性，且粉末呈 多孔性，比表面积大，加热效率高，粉末容易熔化，在合适的喷涂功率下粒子铺 展效果好。粉末由丈量不规则的微米级颗粒团聚粘结而成，n i c 作为基体粘附于 硬质颗粒c r ，c 2 上。粉末在焰流中运动时，主要是低熔点的n i c r 熔化或软化，做 为硬质相的c r j 岛困其弹性模量大、硬度高、熔点高，熔化较少。 第二章涂层0 备设备及铡试分析方法 图2 - 2w c 2 5 n i c r 粉末s e m 图片( ( a ) 低倍，( b ) 高倍) 从图2 1 上可以看到：粉体粒度均匀，呈球形或椭球形，具有较好的流动性， 粉末比表面积较大，加热均匀，喷涂效率高，在合适的喷涂功率下粒子铺展效果 好。粉末由大量微米级的类球形小颗粒团聚而成，较c r cn i c r 粉末微粒要小， n i c r 作为基体粘附着硬质颗粒w c ，粉末在焰流中运动时，低熔点的n i c r 熔化或 软化，可有效的包覆w c 防止其发牛氧化脱碳。 表2 - 2 各材料的物理性能 材料 比重 熔点硬度热胀系数比热容沸点热导翠 ，韭吐匹型! ：! ! ：! 兰。业g 型! 兰型塑垡 碳化钨 1 57 72 7 7 61 2 0 0 6 2 0 2 0 36 0 0 01 2 1 w c2 0 0 0( 2 5 碳化铬66 818 101 4 0 0 不锈钢 79 3 低碳钢 78 6 2 2 等离于喷涂设备 试验采用a p s 一2 0 0 0 型等离子喷涂设备，包括喷枪、整流电源、控制系统、 热交换系统、送粉器、气路和水路系统等部分，如图2 - 3 所示。其中的控制系统 絮器 第二章涂层制备设各及删试分析方法 是整套设备的核心对整个喷涂过程的动作程序和工艺参数的控制，调节。辅助 设备包括：压缩气体供给系统、工作用气。 图2 - 3a p s - 2 0 0 0 型等离子喷涂设备 ( 1 ) 电源，它是等离子射流能量提供装置，通常采用具有陡降或垂直陡降 外特性的直流电源具备较高的卒载电压，且有所需要的输出功率，具有良好的电 流调节性能，输出电流受电网电压、电弧电压波动影响耍小。车设备试验电源： a p s 一2 0 0 0 a 型逆变电源。 ( 2 ) 控制柜，它是整个喷涂系统的控制中心。它要稳定可靠的运行和监控 并显示喷涂程序，并准确的调节电、气、粉以及运动机构的各个参数。本设备控 制：g d p k 型控制柜。 ( 3 ) 等离子喷枪，它是集所有喷涂资源( 电、气、粉、水) 于一体的核心 装置。从性能方面考虑，喷枪应能产生稳定、能量集中、高温、高焙、高速的等 离子弧，并具有较高的热效率；从结构方面考虑，喷枪的气密性和水密性要好， 使用时不漏水、漏气。正负电极之间绝缘