孔令晨，馮勝強，董天順，馮 陽

(1.河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省新型功能材料重點實驗室，天津 300401；3.中國兵器科學(xué)研究院 寧波分院，浙江 寧波 315103)

過共晶鋁-硅合金[w(Si)=16%～26%]具有力學(xué)性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)低和耐磨性好等優(yōu)點[1]。過共晶鋁-硅合金的一個典型應(yīng)用是制備汽車發(fā)動機缸套，目前許多國家已經(jīng)成功研制出了過共晶鋁-硅合金缸套來取代廣泛使用的鑄鐵缸套，并在汽車上成功應(yīng)用，從而實現(xiàn)了全鋁發(fā)動機的制造[2]。

過共晶鋁-硅合金的一個主要制造工藝是噴射成型[3]。但噴射成型工藝成本高、工藝復(fù)雜，使得噴射成型高硅鋁合金難以廣泛應(yīng)用。本文作者認為既然過共晶鋁-硅合金一般應(yīng)用在耐磨損的場合，而磨損一般發(fā)生在材料的表面，因此可以通過表面處理技術(shù)，在普通鋁合金的表面上制備一層過共晶鋁-硅合金耐磨涂層，這樣既保持了工件的綜合力學(xué)性能，還能提高表面的耐磨性[4]。然而至目前為止，國內(nèi)外對過共晶鋁-硅合金涂層的研究還未見報道，對該涂層磨損性能的研究還存在很大的空白。因此，本試驗選擇技術(shù)成熟、工藝簡單且成本較低的等離子噴涂技術(shù)，在A356鋁合金基體上制備過共晶鋁-硅合金(Al-25Si)涂層，探索制備過共晶鋁-硅合金等離子噴涂層的可行性。

1 試驗材料及方法

本試驗選用的基體材料為A356鋁合金。粉末為Al-25Si(Si質(zhì)量分數(shù)為25%)合金粉末，SEM形貌如圖1a所示，可見噴涂粉末的粒度為25 μm～40 μm，形狀基本為球形。對Point1進行EDS分析，結(jié)果如圖1b所示，粉末的實際成分與理論成分基本一致，因此可以用該粉末進行噴涂試驗。在噴涂前，首先對A356鋁合金表面噴砂粗化處理，然后用丙酮進行超聲清洗，再用APS-2000A型大氣等離子噴涂系統(tǒng)制備Al-25Si涂層，噴涂工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 Al-25Si合金粉末形貌及成分分析Fig.1 Morphology and composition analysis of Al-25Si alloy powder

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)Table 1 Plasma spraying parameters

噴涂完成后使用DK7735型電火花數(shù)控線切割機將試樣切成10 mm×10 mm×10 mm的標準試樣，用MM-200型磨損試驗機對基體和涂層的耐磨性能進行對比測試，對磨環(huán)材質(zhì)為GCr15(硬度為50 HRC～55 HRC，直徑為40 mm)，磨損負載為50 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨損時間為10 min；用Nikon MA100型金相顯微鏡觀察涂層的微觀形貌；采用D/max/2500PC型X射線衍射儀對粉末和涂層進行相分析；使用配有能譜分析儀的日本電子JSM-6510A型掃描電鏡觀察粉末和磨痕形貌及其元素含量；采用島津HMV-2000型硬度計對基體和涂層進行硬度測試。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 涂層截面形貌

圖2a為Al-25Si涂層的截面形貌，涂層的厚度大約為300 μm。通過灰度法得到涂層的孔隙率大約4.4%(如圖2b所示)。涂層中含有少量孔洞、未熔顆粒和微裂紋等缺陷，這是等離子噴涂涂層的典型特征。涂層和基體的界面沒有明顯的孔洞，結(jié)合較好，涂層與基體之間是機械結(jié)合和冶金結(jié)合的混合結(jié)合形式[5]。這是由于噴涂熔滴的過熱度較大，而A356鋁合金基體的熔點較低，因此會在二者之間形成微冶金結(jié)合。圖2c為圖2a方框的放大圖，可以看到涂層中有細小彌散的顆粒狀β-Si相分布在α-Al基體中(α-Al是Si溶入Al的固溶體)，對α-Al基體起到固溶強化和彌散強化的作用。

圖2 涂層形貌Fig.2 Morphology of the coating

2.2 涂層的物相分析

圖3為噴涂粉末以及Al-25Si涂層的XRD圖譜。

圖3 噴涂粉末及Al-25Si涂層的XRD衍射圖譜Fig.3 XRD patterns of spray powder and Al-25Si coating

由圖3可以看出，粉末和涂層的物相種類一致，均由α-Al、β-Si和Al3.21Si0.47組成，但峰的強度和位置有所變化，尤其是β-Si。β-Si相的強度在粉末中較高，在噴涂中較低。這是因為在噴涂過程中，噴涂粉末被加熱到熔融或半熔融狀態(tài)時，粉末中的Si會部分熔化溶入粒子中，使得粒子中的Si呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)，當溫度降低時Si相會析出，但是當熔融或半熔融的粒子撞擊基體時，由于粒子的冷卻速度過快，使得過飽和的Si來不及析出，導(dǎo)致涂層中β-Si相的含量較少。涂層的衍射峰的位置相對于粉末向左邊移動，這是由于在噴涂過程中，Si溶入Al中形成α-Al固溶體，使晶格常數(shù)變大導(dǎo)致峰向左移動[6]。Si溶入Al中可以提高涂層的硬度，有利于提高涂層的耐磨性。

2.3 涂層的硬度

硬度是金屬材料抵抗發(fā)生塑性變形的能力，對涂層耐磨性的提高主要采用提高硬度的方法。在一定程度上，硬度越高，耐磨性能越好。

圖4為Al-25Si涂層橫截面的顯微硬度分布圖。

圖4 涂層顯微硬度Fig.4 Microhardness of the coating

由圖4可以看出，A356鋁合金基體的顯微硬度大約在78 HV0.1左右；涂層的硬度達到158 HV0.1左右，比基體的提高了一倍多。分析認為，與基體相比，噴涂粉末中含有大量Si，在噴涂過程中粉末中的Si溶入Al中，當熔滴撞擊基體時大量的Si來不及析出，對涂層起到固溶強化作用，從而硬度提高。但由于噴涂中不可避免地存在一些固有缺陷，如孔洞、未熔顆粒等，使涂層的硬度分布不均勻，波動較大。

2.4 涂層的耐磨性

雖然Al-25Si涂層的硬度相比于A356鋁合金基體有顯著提升，但是其耐磨性能仍未知，因此本研究對基體和涂層的耐磨性進行了對比研究。

2.4.1 摩擦因數(shù)及磨損量

圖5為A356鋁合金基體和Al-25Si涂層磨損試驗10 min后的摩擦因數(shù)和磨損量示意圖。由圖5a可見，基體的摩擦因數(shù)較大，有明顯的飽和階段，穩(wěn)定磨損階段的摩擦因數(shù)大約在0.8左右，隨后便逐漸上升，且上升明顯；而涂層的摩擦因數(shù)開始較小，大約為0.74，波動比基體的稍大，而且隨時間增加摩擦因數(shù)也略有升高，但是升高幅度不明顯。這是由于基體的硬度較低，磨損程度較大，且磨損程度隨時間的延長而加重，從而使摩擦因數(shù)逐漸增大；而涂層由于硬度較高，剛開始磨損試驗時與對磨環(huán)的實際接觸面積較小，因此摩擦因數(shù)也較小，但涂層內(nèi)部存在固有的孔洞、微裂紋等缺陷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，使得摩擦因數(shù)的波動較大。由圖5b可以看出，基體和涂層的磨損量分別為0.007 4 g和0.004 3 g，涂層的磨損量比基體低了約42.5%，說明涂層的耐磨性能顯著優(yōu)于基體的。

圖5 基體與涂層的摩擦因數(shù)與磨損量Fig.5 Friction coefficient and wear loss between substrate and coating

2.4.2 磨損表面形貌及成分分析

圖6是試樣磨損表面SEM形貌及EDS分析結(jié)果。由圖6a可見，基體的磨損表面存在大量的剝層和少量犁溝，且犁溝的寬度較大，通過EDS分析可知，磨損表面的剝層主要以Fe元素為主，說明在磨損過程中對磨環(huán)發(fā)生了元素的轉(zhuǎn)移，因此基體在磨損過程中是以粘著磨損為主，同時還有少量磨粒磨損。從圖6b可見，涂層的磨損表面存在大量的犁溝和少量的剝層，通過EDS分析可知，磨損表面的剝層主要以Al元素為主，相比于基體的磨損表面Fe元素的含量大幅度降低，粘著磨損程度顯著降低，這表明，涂層中磨粒磨損與粘著磨損同時存在，但前者為主要磨損機制。此外，對圖6中磨損表面EDS結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，基體和噴涂層磨損表面都有氧元素存在。由于氧化磨損的特征是磨痕表面存在黑色氧化物和粉末，這與圖6中的磨痕形貌不符，因此推斷氧元素的出現(xiàn)可能是由于Al有很強的親氧性，在磨損試驗完成后待進行SEM檢測這段時間內(nèi)產(chǎn)生了些許氧化所致。

圖6 磨痕形貌及EDS分析結(jié)果Fig.6 Wear mark morphology and EDS analysis results

由上述可見，Al-25Si涂層的耐磨性能顯著優(yōu)于A356鋁合金基體的，其原因分析如下。

材料的耐磨性可由以下公式進行計算[7-8]：

(1)

式中：

W—耐磨性；

H—顯微硬度；

K—磨損系數(shù)；

P—正壓力。

由公式(1)可知，耐磨性與顯微硬度成正比。圖4表明基體和涂層的硬度分別為78 HV0.1和158 HV0.1，因此涂層的耐磨性較好，基體的較差。由于基體硬度較低，在發(fā)生磨損時，涂層表面在壓力的作用下容易發(fā)生塑性變形，局部的塑性變形會引起與對磨環(huán)發(fā)生粘著，隨著摩擦的進行，在基體表面形成剝落坑。而涂層中由于存在彌散細小的硬質(zhì)β-Si顆粒，在磨損過程中起到支撐作用，減少了粘著磨損，使耐磨損性能提升；但是由于涂層存在固有的孔隙和微裂紋等缺陷，在壓力作用下，缺陷處容易形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生并快速擴展，大量的裂紋相互連通，最終發(fā)生剝離，因此在涂層的磨損表面也存在少量的粘著剝落。

在涂層內(nèi)部存在細小彌散的β-Si顆粒，可以對涂層起到彌散強化的作用，同時大量的Si溶入Al中還可以對涂層起到固溶強化的作用。這兩種作用都有利于提高涂層的強度和硬度，從而有利于提高涂層的耐磨性。

3 結(jié) 論

1)采用等離子噴涂技術(shù)在A356鋁合金基體表面制備了Al-25Si涂層，涂層的硬度達到158HV0.1左右，比基體的硬度提高了一倍多。

2)Al-25Si涂層的耐磨損性能顯著優(yōu)于A356鋁合金基體的?；w的磨損機制為嚴重的粘著磨損，Al-25Si涂層的磨損機制主要是磨粒磨損，伴有少量的粘著磨損。

3)在鋁合金表面制備Al-25Si等離子噴涂層，可以有效提高鋁合金的耐磨性能。