陳玲玲, 閆成旗

(1. 安陽(yáng)學(xué)院 航空工程學(xué)院, 河南 安陽(yáng) 455000； 2. 安陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 河南 安陽(yáng) 455000)

在目前環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排和航空(天)材料減重的高壓態(tài)勢(shì)下，輕質(zhì)材料面對(duì)的市場(chǎng)需求得到了進(jìn)一步的擴(kuò)大，進(jìn)而苛刻環(huán)境下所需的特殊性能也對(duì)輕質(zhì)材料提出了更高的要求.鋁合金具有質(zhì)量輕和易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，在航空(天)減重結(jié)構(gòu)零部件、汽車(chē)和日常生活用品中得到了廣泛的應(yīng)用.但其低劣的耐磨性嚴(yán)重影響了鋁合金的使用壽命和進(jìn)一步的擴(kuò)展使用.

表面技術(shù)制備復(fù)合涂層包括等離子噴涂[1]、電子束物理氣相沉積[2]和冷噴涂[3]等.然而將高熔點(diǎn)材料整合到低熔點(diǎn)鋁合金表面較困難.機(jī)械球磨是制備鋁基涂層和其他涂層的有效方法之一[4-8].機(jī)械球磨作為一種固態(tài)非平衡過(guò)程，由于基材與球的反復(fù)碰撞而將粉末冷焊到樣品表面[9-11].機(jī)械球磨法具有成本低、涂層厚度可控、涂層與基體之間牢固結(jié)合、完整性可靠并能防止不良化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn).Zadorozhnyy等[12,13]采用機(jī)械球磨方法在鋁合金基體表面制備了Ni-Al復(fù)合涂層，涂層中Ni-Al金屬間化合物的生成提高了涂層硬度.陳成等[14-17]采用機(jī)械球磨方法在鈦合金表面制備Al-Cr和Al-Si等復(fù)合涂層，經(jīng)過(guò)退火后Ti-Al金屬間化合物的生成提高了涂層的抗磨性能.Pouriamanesh等[18]通過(guò)機(jī)械球磨方法在鋁合金表面制備了Ni涂層，并對(duì)Ni-Al金屬間化合物的生成進(jìn)行了分析探討.

本文基于機(jī)械球磨在鋁合金表面制備N(xiāo)i-Al復(fù)合涂層，向復(fù)合涂層中添加高強(qiáng)度和抗磨性良好的Mo元素而制備N(xiāo)i-Al-Mo復(fù)合涂層，經(jīng)過(guò)退火后，Ni-Al金屬間化合物和Mo的協(xié)同作用提高了復(fù)合涂層的抗磨性能，從而有效的保護(hù)鋁合金基體.

1 實(shí)驗(yàn)材料、涂層制備和檢測(cè)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鋁合金基體型號(hào)為ZL114A，尺寸約為12 mm×12 mm×3 mm；Al粉純度為99.9%，目數(shù)200目；Ni粉純度99.9%，目數(shù)200目；Mo粉純度99.95%，目數(shù)300目.

1.2 涂層制備

采用行星式球磨機(jī)(型號(hào)：XGB2)進(jìn)行涂層制備，涂層制備示意圖如圖1所示.首先分別通過(guò)機(jī)械球磨3、5、7、9 h制備N(xiāo)i-Al復(fù)合涂層(簡(jiǎn)稱(chēng)NA)，通過(guò)涂層質(zhì)量確定最佳球磨時(shí)間后分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、20%、30%的Mo粉制備N(xiāo)i-Al-Mo復(fù)合涂層(分別簡(jiǎn)稱(chēng)NAM10、NAM20、NAM30).涂層制備參數(shù)見(jiàn)表1.球磨之前將4塊樣品、20 g混合粉末和250 g鋼球(數(shù)量相等的φ6 mm和φ8 mm的鋼球)加入球磨罐中.為防止球磨過(guò)程中罐中溫度上升，采用球磨1 h停10 min的方式進(jìn)行球磨.樣品在水平真空坩堝爐中進(jìn)行退火處理(型號(hào)：VBF-1200X-H8)，溫度550 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻.

圖1 樣品制備示意圖

表1 涂層的粉末組成及制備參數(shù)

1.3 檢測(cè)方法

使用X射線衍射儀(型號(hào)：Quant 250FEG)對(duì)樣品進(jìn)行物相測(cè)定，掃描速度為0.1(°)/s，掃描步長(zhǎng)為 0.02°，在20～100°掃描.使用顯微硬度儀(型號(hào)：HXS-1000A)對(duì)涂層硬度進(jìn)行測(cè)試，載荷0.2 kg，加載時(shí)間10 s，測(cè)試10次后取平均值.使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)樣品微觀形貌與元素分布進(jìn)行檢測(cè)分析.采用摩擦機(jī)(型號(hào)：WTM-2E)對(duì)樣品進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試，對(duì)偶球?yàn)樯逃玫腟i3N4陶瓷球(φ6 mm，硬度約15 GPa)，實(shí)驗(yàn)前用酒精進(jìn)行超聲清洗樣品表面.實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件為：測(cè)試載荷為200 g，滑動(dòng)速度為0.075 m/s，測(cè)試時(shí)間20 min.摩擦系數(shù)由摩擦儀自動(dòng)記錄.材料磨損后磨痕的橫截面積用三維輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)試，材料的磨損體積通過(guò)V=AL計(jì)算，這里V為材料的磨損體積，A為磨痕的橫截面積，L為磨痕直徑.磨損率W通過(guò)W=V/SN計(jì)算，S為滑動(dòng)距離，N為外加載荷.

2 結(jié)果與討論

圖2中分別列出了球磨3、5、7、9 h后NA涂層截面微觀形貌.由圖可以看出，球磨3 h時(shí)由于球磨時(shí)間短，還沒(méi)有足夠的粉末冷焊在基體表面，所以涂層存在不連續(xù)現(xiàn)象；球磨5 h時(shí)在基體表面形成了連續(xù)涂層，但涂層存在凹凸不平現(xiàn)象；球磨7 h時(shí)涂層連續(xù)，并且較5 h時(shí)更加平整；當(dāng)球磨時(shí)間上升到9 h時(shí)涂層雖然連續(xù)也較為平整，但涂層中呈現(xiàn)出大塊組織結(jié)構(gòu)，這有可能是在長(zhǎng)時(shí)間球磨過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的冷焊-剝落-冷焊循環(huán)現(xiàn)象.由圖3中四種球磨時(shí)間制備的涂層成分可以看出，經(jīng)過(guò)球磨后涂層中的成分并未發(fā)生明顯變化，僅有微量Al2O3生成，這是因?yàn)榍蚰ミ^(guò)程中微量Al氧化引起的.因此在接下來(lái)制備N(xiāo)i-Al-Mo復(fù)合涂層時(shí)球磨時(shí)間采用7 h.

圖2 球磨3、5、7、9 h后NA涂層的截面微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 The cross-section microstructures of NA samples after ball-milling 3、5、7、9 h

圖3 球磨3、5、7、9 h后NA涂層的X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction of the NA samples after ball-milling 3、5、7、9 h

圖4中列出了NA、NAM10、NAM20和NAM30涂層退火后成分圖.由圖可以看出，經(jīng)過(guò)550 ℃退火后4種涂層中均有Al3Ni金屬間化合物新相生成，新相生成將對(duì)涂層強(qiáng)度提供良好的保障.圖5～8中分別給出了NA、NAM10、NAM20和NAM30涂層的截面組織及元素面分布.由微觀組織可以看出4種復(fù)合涂層連續(xù)覆蓋鋁合金基體表面，厚度約為50～100 μm.由元素面分布可以看出機(jī)械球磨制備的復(fù)合涂層中Al、Ni、Mo各元素均勻分布.

圖4 NA、NAM10、NAM20和NAM30涂層550 ℃退火后X射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction of the NA, NAM10, NAM20 and NAM30 samples annealed at 550 ℃

圖5 NA復(fù)合涂層截面微觀組織和Al、Ni元素分布圖

表2為鋁合金基體和4種涂層經(jīng)過(guò)退火后截面顯微硬度值.可以看出，經(jīng)過(guò)550 ℃退火后，4種涂層的顯微硬度均高于原始鋁合金基體，Al3Ni金屬間化合物的存在有效提高了復(fù)合涂層的顯微硬度，并且Mo的添加使得涂層顯微硬度逐漸升高，當(dāng)添加30%Mo時(shí)顯微硬度約為167 HV.圖9給出了鋁合金基體和4種復(fù)合涂層的摩擦曲線.由圖可以看出，鋁合金基體摩擦系數(shù)為0.5，NA涂層摩擦系數(shù)前10 min逐漸升高，穩(wěn)定后約為0.65.添加Mo之后的復(fù)合涂層摩擦系數(shù)為0.4～0.45，摩擦系數(shù)均優(yōu)于鋁合金基體和NA涂層，并且添加10%Mo和20%Mo的涂層略微優(yōu)于添加30%Mo涂層.圖10為鋁合金基體和4種復(fù)合涂層的磨損率.可以看出，鋁合金基體磨損率約為1.1×10-3mm3/(N·m)，NA涂層磨損率約為1.2×10-3mm3/(N·m)，NAM10、NAM20和NAM30涂層的磨損率優(yōu)于鋁合金基體和NA涂層，其值約為0.4×10-3～0.6×10-3mm3/(N·m)，NAM20涂層磨損率最低.圖11為鋁合金基體和4種涂層摩擦測(cè)試后的磨斑微觀形貌.由圖可以看出，鋁合金磨斑表面存在著大量的犁溝和剝落；NA涂層表面犁溝現(xiàn)象消失，但剝落起皮現(xiàn)象明顯；NAM10、NAM20和NAM30磨斑表面表現(xiàn)較為光滑，均出現(xiàn)了一定量的塑性變形，NAM10和NAM20磨斑表面相比NAM30磨斑表面出現(xiàn)了微量的剝落.

圖6 NAM10復(fù)合涂層截面微觀組織和Al、Ni、Mo元素分布圖Fig.6 The cross-section microstructure of the NAM10 composite coating and elements distribution of Al, Ni, Mo

圖7 NAM20復(fù)合涂層截面微觀組織和Al、Ni、Mo元素分布圖Fig.7 The cross-section microstructure of the NAM20 composite coating and elements distribution of Al, Ni, Mo

圖8 NAM30復(fù)合涂層截面微觀組織和Al、Ni、Mo元素分布圖Fig.8 The cross-section microstructure of the NAM30 composite coating and elements distribution of Al, Ni, Mo

表2 550 ℃退火后涂層的顯微硬度值

圖9 鋁合金基體和NA、NAM10、NAM20、NAM30涂層的滑動(dòng)摩擦系數(shù)

圖10 鋁合金基體和NA、NAM10、NAM20、NAM30涂層的滑動(dòng)磨損率Fig.10 Wear rate of the Al alloy substrate, NA, NAM10, NAM20 and NAM30 samples under sliding friction

圖11 鋁合金基體和NA、NAM10、NAM20、NAM30涂層的滑動(dòng)磨斑形貌Fig.11 Worn surfaces of the Al alloy substrate, NA, NAM10, NAM20 and NAM30 samples under sliding friction

結(jié)合顯微硬度、摩擦系數(shù)、磨損率和磨斑形貌可以得出，鋁合金基體較低的顯微硬度導(dǎo)致磨斑表面存在大量的犁溝和剝落，使得基體具有高的摩擦系數(shù)和磨損率.NA涂層顯微硬度略高于基體，但在摩擦過(guò)程中由于涂層的嚴(yán)重局部剝落導(dǎo)致涂層具有高的摩擦系數(shù)和磨損率.Mo元素加入涂層后，使得復(fù)合涂層成分更加均勻，硬而堅(jiān)韌的Mo提高了復(fù)合涂層的顯微硬度，改善了磨斑表面的剝落和犁溝現(xiàn)象，所以復(fù)合涂層均具有良好的摩擦系數(shù)和磨損率.當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%Mo時(shí)磨斑表面表現(xiàn)得最為光滑，所以擁有最優(yōu)的摩擦系數(shù)和磨損率.

3 結(jié)論

1) 采用機(jī)械球磨方法在鋁合金基體表面制備了Ni-Al-Mo復(fù)合涂層，并確定了最佳球磨時(shí)間為7 h.

2) 經(jīng)過(guò)550 ℃退火后涂層中形成了Al3Ni金屬間化合物相，復(fù)合涂層中Al3Ni和Mo的存在使得涂層硬度高于鋁合金基體和Ni-Al涂層，Mo添加量為10%、20%和30%時(shí)涂層硬度隨Mo含量的增加而增大.

3) 涂層顯微硬度的提升使得涂層具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，3種涂層的磨損率約為0.4×10-3～0.6×10-3mm3/(N·m)有效起到了保護(hù)鋁合金基體的作用.