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NiCr基多元復(fù)合潤滑涂層的耐磨性能研究

2019-12-26 07:23:04唐健江于方麗
關(guān)鍵詞:磨屑潤滑性氏硬度

唐健江,于方麗,張 闊

(西安航空學(xué)院 材料工程學(xué)院,西安 710077)

隨著航空技術(shù)的日益發(fā)展及能源的日益短缺,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的要求,即具有更大的推力、更高的效率以及更低的能耗。利用可磨耗潤滑涂層對(duì)轉(zhuǎn)子與靜子部件之間氣路密閉性通過有效地控制,可顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率,降低燃油消耗。在典型發(fā)動(dòng)機(jī)中,高壓渦輪葉尖間隙每減少0.13~0.25 mm,則油耗可降低0.5%~1%,發(fā)動(dòng)機(jī)的效率提高2%左右[1]。由于工件服役環(huán)境惡劣,這就要求涂層在具有寬溫域自潤滑減磨耐磨效果的同時(shí),還應(yīng)具備良好的抗氧化、抗腐蝕和耐熱循環(huán)等性能。由此可見,研究可在較寬溫度范圍內(nèi)使用、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,且保持良好潤滑效果的金屬基固體可磨耗潤滑復(fù)合涂層具有重要意義。

可磨耗潤滑涂層大多由各種金屬基材料作為涂層基本結(jié)構(gòu)材料,加入不同比例的各種耐磨材料和固體潤滑劑構(gòu)成。常用的金屬基體材料為NiCr(或NiCrAl)合金,其可提供良好的耐高溫氧化、耐高溫腐蝕性能和基本機(jī)械強(qiáng)度。Cr2O3具有較高的熱膨脹系數(shù),能很好的提高涂層與基體高溫合金的匹配性,被廣泛應(yīng)用于高溫固體潤滑耐磨涂層體系的耐磨相,且當(dāng)溫度高于500℃時(shí),其還能提供高溫潤滑性[2-3]。

常用的固體潤滑劑主要有石墨、h-BN、MoS2、CaF2/BaF2以及Ag等。h-BN與石墨具有相似的結(jié)構(gòu),其有白色石墨的美譽(yù),具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì),可在室溫至800℃范圍內(nèi)具有較好的潤滑性能[4-5]。MoS2為六方晶體的層狀結(jié)構(gòu),當(dāng)受到外力作用時(shí),層與層之間弱的范德華力很容易斷裂而產(chǎn)生滑移、形膜,可以有效降低摩擦因數(shù)和減少磨損,但其只能在500℃以下的工作環(huán)境中使用[6-7]。氟共晶(CaF2/BaF2)材料作為高溫固體潤滑劑的涂層材料已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用,當(dāng)溫度在400℃~900℃時(shí),CaF2/BaF2會(huì)由脆性向韌性轉(zhuǎn)變,展現(xiàn)出良好的高溫潤滑性能[8]。Ag作為軟質(zhì)金屬,具有較好的熱導(dǎo)率和延展性特性,在室溫至450℃時(shí),具有較好的低溫潤滑性能[9-10]。

將低溫固體潤滑劑和高溫固體潤滑劑按一定比例混合,可組成較寬溫度范圍內(nèi)使用的復(fù)合固體潤滑劑,其常用的組合形式為h-BN+MoS2和CaF2/BaF2+Ag。因此,本文將對(duì)NiCrAl-Cr2O3-BN-MoS2和NiCr-Cr2O3-CaF2/BaF2-Ag兩種多元復(fù)合潤滑涂層進(jìn)行研究,對(duì)比分析其具有相同潤滑相含量時(shí),多元復(fù)合潤滑涂層的高溫(400℃和600℃)耐磨性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與涂層會(huì)被工藝

基體為GH3030高溫合金,試樣尺寸為35mm×24mm×8mm,噴涂前采用丙酮超聲清洗,去除試樣表面的油污,再采用金剛砂對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂處理,以提高基體與涂層的結(jié)合強(qiáng)度??赡ズ臐櫥繉釉蠟樽灾频腘iCrAl-Cr2O3-BN-MoS2粉末(簡(jiǎn)稱BN-MoS2粉末)和NiCr-Cr2O3-Ag-CaF2/BaF2粉末(簡(jiǎn)稱Ag-CaF2/BaF2粉末),其形貌如圖1所示。

BN-MoS2粉末的成分含量比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為:65%的基體相NiCrAl,15%的強(qiáng)化相Cr2O3,10%的潤滑相BN和10%的MoS2。Ag-CaF2/BaF2粉末的成分含量比例為:65%的基體相NiCr,15%的強(qiáng)化相Cr2O3,10%的潤滑相Ag,10%的共晶潤滑相CaF2/BaF2。兩種粉末中基體相、強(qiáng)化相及潤滑相的添加比例均相同,但BN-MoS2粉末的平均粒徑約是Ag-CaF2/BaF2粉末粒徑的2倍左右。

(a)NiCrAl-Cr2O3-BN-MoS2

采用高能效超音速等離子噴涂(SAPS)工藝制備可磨耗潤滑涂層,具體噴涂參數(shù)如表1所示。

1.2 涂層性能測(cè)試及材料表征

采用美國CERT的UMT-3多功能摩擦試驗(yàn)儀進(jìn)行耐磨性能測(cè)試,設(shè)定恒定載荷為150N,工作溫度為400℃和600℃,加載時(shí)間為30min,移動(dòng)頻率為10Hz。采用拉伸法測(cè)量涂層的結(jié)合強(qiáng)度,儀器為css-silo電子萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī),測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ASTM C633-79標(biāo)準(zhǔn),粘結(jié)劑為固體膠膜(FM-1000,USA)。表面洛氏硬度采用的是中型表面洛氏硬度計(jì)(HSRN-45),在每個(gè)試樣表面的不同區(qū)域選擇10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,然后取其平均值,此即為涂層的表面洛氏硬度值(按ASTM E18標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行)。采用掃描電子顯微鏡(SEM,VEGAII XMU,Tescan,Czech Republic)觀察分析原料粉末粒子表面形貌和涂層截面形貌。

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層結(jié)構(gòu)表征

圖2為NiCrAl-Cr2O3-BN-MoS2涂層(簡(jiǎn)稱BN-MoS2涂層)和NiCr-Cr2O3-Ag-CaF2/BaF2涂層(簡(jiǎn)稱Ag-CaF2/BaF2涂層)截面形貌圖和EDS結(jié)果圖。

通過EDS能譜結(jié)果可知,在BN-MoS2涂層中,白色相為MoS2潤滑相,灰色相為NiCrAl基體相,淺灰色相為BN潤滑相,深灰色相為Cr2O3強(qiáng)化相,如圖2(a)標(biāo)識(shí)所示;在Ag-CaF2/BaF2涂層中,灰色相為NiCr基體相,淺灰色相為CaF2/BaF2潤滑相,深灰色相為Cr2O3強(qiáng)化相,白色相為Ag潤滑相。由截面形貌圖可知,兩種涂層的白色潤滑相分布均勻,且尺寸細(xì)??;BN-MoS2涂層的孔隙(如圖中所示深黑色區(qū)域)明顯,且Cr2O3強(qiáng)化相結(jié)構(gòu)粗大;相對(duì)而言,Ag-CaF2/BaF2涂層致密,強(qiáng)化相結(jié)構(gòu)較小。

(a)BN-MoS2涂層截面形貌

(b)Ag-CaF2/BaF2涂層截面形貌

(c)BN-MoS2能譜結(jié)果

(d)Ag-CaF2/BaF2能譜結(jié)果

2.2 涂層結(jié)合強(qiáng)度與表面洛氏硬度

涂層的結(jié)合強(qiáng)度和表面洛氏硬度測(cè)試結(jié)果如表2所示。由結(jié)果可知,Ag-CaF2/BaF2涂層的結(jié)合強(qiáng)度比BN-MoS2涂層高出49.2%,而表面洛氏硬度相差僅為4.5%。這主要是因?yàn)锽N-MoS2涂層的孔隙較多,很大程度上降低了涂層的結(jié)合強(qiáng)度,但由于其Cr2O3強(qiáng)化相的尺寸較大,從一定程度上彌補(bǔ)了孔隙所引起的表面硬度降低,使得BN-MoS2涂層與Ag-CaF2/BaF2涂層的硬度相近。

表2 涂層的結(jié)合強(qiáng)度及表面洛氏硬度

2.3 涂層耐磨性能

圖3為BN-MoS2涂層與Ag-CaF2/BaF2涂層分別在400℃和600℃溫度下的摩擦系數(shù)曲線。由圖可知,BN-MoS2涂層的摩擦系數(shù)曲線在不同溫度下均較為穩(wěn)定,而Ag-CaF2/BaF2涂層在400℃時(shí)的摩擦系數(shù)曲線比600℃時(shí)波動(dòng)明顯。BN-MoS2涂層的平均摩擦系數(shù)較為接近(400℃時(shí)為0.38,600℃時(shí)為0.36);相對(duì)而言,Ag-CaF2/BaF2涂層的平均摩擦系數(shù)則隨溫度升高而顯著降低(400℃時(shí)為0.35,600℃時(shí)為0.28);其中,600℃時(shí)Ag-CaF2/BaF2涂層的平均摩擦系數(shù)比BN-MoS2涂層有效降低將近22.2%。

圖4為BN-MoS2涂層與Ag-CaF2/BaF2涂層分別在400℃和600℃溫度下的磨損深度曲線。由圖可知,兩種涂層的磨損深度都隨著摩擦溫度的升高而增加。在400℃時(shí),涂層的磨損深度是隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而逐漸加深;BN-MoS2涂層的磨損深度曲線為線性增長(zhǎng),測(cè)試結(jié)束后其磨損深度為0.289mm;而Ag-CaF2/BaF2涂層的磨損深度曲線為拋物線增長(zhǎng),測(cè)試結(jié)束后其磨損深度為0.236mm,較之BN-MoS2涂層低18.3%。在600℃時(shí),涂層的磨損深度相對(duì)穩(wěn)定,BN-MoS2涂層的磨損深度曲線波動(dòng)明顯(深度為0.096mm),Ag-CaF2/BaF2涂層磨損深度曲線相對(duì)平滑(深度為0.072mm)。

圖3 BN-MoS2涂層和Ag-CaF2/BaF2涂層的摩擦系數(shù)曲線圖

從摩擦系數(shù)和磨損深度結(jié)果可知,隨著工作溫度的升高,涂層的摩擦系數(shù)和磨損深度均降低,表明兩種涂層在600℃高溫下的耐磨性能優(yōu)于400℃時(shí);相較于BN-MoS2涂 層,Ag-CaF2/BaF2涂層在600℃高溫時(shí)展現(xiàn)了最優(yōu)的耐磨性能。

圖5為BN-MoS2涂層與Ag-CaF2/BaF2涂層分別在400℃和600℃時(shí)的磨損形貌表面。由圖可知,摩擦磨損的測(cè)試溫度從400℃升高至600℃時(shí),涂層的磨損形貌由表面粗糙、不完整潤滑膜和較多的磨屑轉(zhuǎn)變?yōu)槟p表面光滑、有完整潤滑膜和少量磨屑存在。400℃時(shí),兩種涂層的磨損表面有大量的磨屑和劃痕存在,表明涂層在摩擦過程中粒子產(chǎn)生了明顯的脆性斷裂,且Ag-CaF2/BaF2涂層中的磨屑比BN-MoS2涂層多,這主要由于Cr2O3強(qiáng)化相的塑性較低,在400℃摩擦過程中晶粒發(fā)生脆性斷裂,形成磨損粒子。低溫固體潤滑相在摩擦和擠壓應(yīng)力作用下,從金屬基體中擠出在易滑移的解理面處發(fā)生斷裂、鋪展形成潤滑膜,而脆性斷裂的磨損粒子會(huì)阻礙完整潤滑膜的形成,使涂層產(chǎn)生磨粒磨損,降低涂層的潤滑性能。此外,CaF2/BaF2在400℃溫度下仍為脆性相,摩擦過程主要為脆性斷裂機(jī)制,不能發(fā)生塑性變形而形成表面潤滑膜[11]。因此,Ag-CaF2/BaF2涂層的磨損表面殘留的磨屑較多。

c)Ag-CaF2/BaF2涂層

600℃時(shí),涂層磨損表面光滑,潤滑膜表面的磨屑大幅度降低,表明當(dāng)溫度升高后,涂層的脆性斷裂減少,開始以塑性變形為主。BN-MoS2涂層表面為光滑完整的潤滑膜,有少量的磨屑存在;而在Ag-CaF2/BaF2涂層磨損表面則基本沒有磨屑存在,是由一層具有軟性的、自潤滑相滑移和塑性變形而形成的片狀分布的自潤滑保護(hù)膜所覆蓋。600℃高溫摩擦?xí)r,具有較大熱膨脹系數(shù)的CaF2/BaF2(25×10-6K-1)和Ag粒子(22×10-6K-1)相比于熱膨脹系數(shù)較小的BN(7×10-6K-1)和MoS2(10.7×10-6K-1)粒子,其在摩擦副的擠壓應(yīng)力作用下更加容易從基體相中溢出和產(chǎn)生塑性變形;此時(shí),BN、Ag和CaF2/BaF2均具有良好的潤滑性,而MoS2則與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng),失去潤滑性。此外,在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),摩擦副與涂層在接觸過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能,接觸表面產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度則迅速升高,使得涂層中分布的CaF2/BaF2粒子由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄訹11]。在外加載荷和摩擦力的作用下,Ag和CaF2/BaF2粒子同時(shí)發(fā)生塑性變形轉(zhuǎn)化為潤滑膜,故而在Ag-CaF2/BaF2涂層形成了一層較厚的、呈片狀結(jié)構(gòu)分布的潤滑膜,使得涂層摩擦系數(shù)得到了有效降低。

3 結(jié)論

本研究利用SAPS分別沉積制備了NiCrAl-Cr2O3-BN-MoS2涂層和NiCr-Cr2O3-Ag-CaF2/BaF2涂層,對(duì)比分析涂層結(jié)構(gòu)對(duì)其結(jié)合強(qiáng)度、表面硬度及其在400℃和600℃下耐磨性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:

(1)相較于BN-MoS2涂層,Ag-CaF2/BaF2涂層結(jié)構(gòu)致密,Cr2O3強(qiáng)化相尺寸細(xì)小,潤滑相分布均勻。Ag-CaF2/BaF2涂層的結(jié)合強(qiáng)度為38.2±1.2MPa,比BN-MoS2涂層高出49.2%,而表面洛氏硬度僅高出4.5%;

(2)隨溫度升高,BN-MoS2涂層的平均摩擦系數(shù)變化不明顯,而Ag-CaF2/BaF2涂層降低了25%;Ag-CaF2/BaF2涂層的平均摩擦系數(shù)均低于同溫度下的BN-MoS2涂層,其中600℃時(shí),Ag-CaF2/BaF2涂層比BN-MoS2涂層低22.2%;

(3)在400℃時(shí),涂層的磨損深度是隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)而逐漸加深,而BN-MoS2涂層(0.289mm)比Ag-CaF2/BaF2涂層(0.236mm)高出22.5%左右;在600℃時(shí),涂層的磨損深度相對(duì)穩(wěn)定,BN-MoS2涂層的磨損深度(0.096mm)曲線波動(dòng)明顯,而Ag-CaF2/BaF2涂層磨損深度(0.072mm)曲線相對(duì)平滑;

(4)在400℃~600℃寬溫域內(nèi),Ag-CaF2/BaF2涂層的潤滑性能和耐磨性能均優(yōu)于BN-MoS2涂層,且其在600℃時(shí)潤滑性能和耐磨性能效果最佳。

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