李海升，劉 坤，李文亞，吳 東，顏 華

(1. 成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610092；2. 西北工業(yè)大學(xué) a.凝固技術(shù)國家重點實驗室, b.陜西省摩擦焊接工程技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710072)

0 前 言

微動磨損是指緊固連接的結(jié)構(gòu)件之間發(fā)生的微小幅度震蕩位移(通常為微米級)引起的材料磨損，往往導(dǎo)致材料發(fā)生剝落、腐蝕和開裂等破壞形式[1]。據(jù)估計在航空結(jié)構(gòu)破壞中涉及微動損傷的比例高達(dá)90%[2]。鈦及鈦合金作為航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的材料[3]，因其摩擦系數(shù)高、耐磨性差，常常面臨著微動磨損失效的威脅。TC4 鈦合金(Ti - 6Al - 4V)是一種雙相合金，因其具有出色的綜合性能成為航空航天領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣、用量最大的王牌合金[4]。表面涂層和表面改性技術(shù)是提高鈦合金微動損傷抗力的常用方法，CuNiIn是一種軟質(zhì)合金，涂層硬度較低，有助于增大接觸面積從而降低接觸應(yīng)力，且易于剪切，從而在配副材料表面形成覆蓋接觸區(qū)的摩擦轉(zhuǎn)移層，降低副配材料對基體微動損傷，因此通常用作壓氣機(jī)葉片的工作面抗微動磨損涂層[5, 6]。常用的CuNiIn涂層制備方法有超音速火焰噴涂、等離子噴涂以及爆炸噴涂等[7-11]。然而，這些熱噴涂方法均存在過高的熱輸入問題，不可避免地會影響涂層與基體性能。冷噴涂作為一種固相沉積技術(shù)，工作溫度低于噴涂材料熔點，沉積效率高，受到專家學(xué)者與企業(yè)的廣泛關(guān)注。目前關(guān)于冷噴涂CuNiIn的公開報道只有1篇，Li等[12]最早利用氬氣送粉、空氣作為加速氣體在TC4表面冷噴涂制備了CuNiIn涂層，涂層孔隙率低于大部分熱噴涂層，說明了冷噴涂技術(shù)在CuNiIn涂層制備中具有很大的潛力。本研究在此基礎(chǔ)上使用氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w，進(jìn)一步研究冷噴涂技術(shù)制備的CuNiIn涂層的組織特征、顯微硬度及微動磨損性能，為后續(xù)研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗材料

冷噴涂試驗所用基板為TC4鈦合金板材，微動磨損試樣基板尺寸為φ24.0 mm×7.6 mm。噴涂所用粉末為Amdry 500F CuNiIn粉，粉末宏微觀形貌及粒徑分布如圖1所示，粉末球形度較高，粒徑較大的顆粒表面呈發(fā)達(dá)的近似等軸花瓣狀的胞狀枝晶組織，部分顆粒外表附著有少量的“衛(wèi)星粉”。圖1c為粉末顆粒經(jīng)5 mL FeCl3+10 mL HCl+100 mL H2O腐蝕液腐蝕后的截面形貌，粉末內(nèi)部主要以細(xì)小的樹枝晶為主。圖1d為采用Winner2000ZDE激光粒度儀測試的粉末粒徑分布結(jié)果，粉末平均粒徑D50=40 μm。

圖1 CuNiIn粉末宏微觀形貌及粒徑分布

1.2 試驗方法

冷噴涂試驗依托西北工業(yè)大學(xué)自主搭建的冷噴涂系統(tǒng)完成，使用ABB六軸機(jī)械手控制基板移動來實現(xiàn)涂層制備，冷噴涂參數(shù)如下：氣體種類為氮?dú)猓瑖娡繙囟?00 ℃，噴涂壓力3.0 MPa，噴涂距離20 mm，送粉速率1 r/min。噴涂前使用酒精對基板進(jìn)行超聲清洗，并使用60目的剛玉砂礫對基板進(jìn)行噴砂處理，噴砂氣壓為0.6 MPa。

使用線切割對制得的CuNiIn涂層截取橫截面，經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后，用OLYMPUS - GX71光學(xué)顯微鏡(OM)和VEGA3 TESCAN掃描電鏡(SEM)觀察涂層的宏/微觀組織形貌和涂層與基體界面結(jié)合情況。

使用Image - Pro圖像處理軟件對涂層孔隙率進(jìn)行統(tǒng)計分析。

采用LECO維氏硬度計測量涂層的顯微硬度，壓頭載荷2 N，保壓時間15 s。在涂層一側(cè)，沿厚度方向每隔100 μm取1條直線，在該直線上均勻選取15個點測量硬度值，最后根據(jù)測量值計算涂層平均硬度以及涂層硬度沿厚度方向的變化。

微動磨損試驗在SRV - Ⅳ微動磨損試驗機(jī)上進(jìn)行，采用球/平面接觸方式，摩擦副配材料選用φ=10 mm的TC4球，以往復(fù)運(yùn)動的形式進(jìn)行，試驗參數(shù)如下：室溫，行程100，400 μm，載荷100 N，頻率10 Hz，時長60，30 min。測試完成后使用光學(xué)顯微鏡對試樣磨損形貌進(jìn)行觀察，并對磨痕深度進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層形貌及硬度

圖2為冷噴涂CuNiIn涂層組織形貌。從光學(xué)顯微鏡照片(圖2a)可以明顯看出涂層內(nèi)部的孔洞缺陷，通過Image - Pro圖像處理軟件采用面積法測定涂層中的孔隙率為2.8%，從光鏡照片還可以看出涂層孔隙率沿厚度方向發(fā)生變化，靠近基體處最低，越接近涂層表面孔隙率越高，以圖2a中虛線為界，靠近基體一側(cè)涂層孔隙率約為2.1%，遠(yuǎn)離基體一側(cè)孔隙率約為3.0%，這是由于所采用的粉末顆粒尺寸較大以及后續(xù)沉積的顆粒對已沉積涂層表面的夯實作用導(dǎo)致的[13]。從圖2b所示的涂層SEM形貌中可以明顯看出涂層組織的不同取向，從而分辨出顆粒邊界，顆粒越小，變形越嚴(yán)重，這一邊界就會愈發(fā)模糊甚至消失，這說明在絕熱剪切失穩(wěn)效應(yīng)下顆粒之間形成了冶金結(jié)合[14]。涂層晶粒組織較粉末組織有明顯細(xì)化，這是顆粒變形中動態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果[15]。同時涂層與基體界面存在明顯的未結(jié)合界面，這主要是因為CuNiIn顆粒與基體主要以機(jī)械咬合的方式形成沉積，粉末顆粒變形產(chǎn)生的機(jī)械咬合力不足以抵抗顆粒撞擊基板產(chǎn)生的應(yīng)力，也正是這個原因，噴涂前必須對基板進(jìn)行噴砂處理以達(dá)到增加表面粗糙度、活化表面的目的。

圖2 涂層形貌

測得涂層沿厚度方向與基體距離100，200，300 μm處硬度分別為274，300，297 HV2 N。沿厚度方向涂層硬度呈增大趨勢，接近基體涂層硬度平均值為274 HV2 N，但是距離基體較遠(yuǎn)的涂層的硬度變化并不明顯。這是由于最先沉積到基板的涂層受到后續(xù)沉積涂層的持續(xù)熱輸入影響，殘余應(yīng)力釋放較表面涂層更充分，越靠近表面涂層散熱越快，殘余應(yīng)力釋放較小。對于冷噴涂制備的涂層而言，硬度在較大程度上受應(yīng)力影響，本研究的應(yīng)力分布狀態(tài)與之前的研究結(jié)果吻合[16]。因此在靠近基體處硬度值較小，而靠近表面硬度增大，這與Balani等[17]的研究結(jié)果類似。可以確定的是，當(dāng)涂層厚度繼續(xù)增加時表面涂層硬度值將穩(wěn)定在300 HV2 N左右。典型的硬度壓痕形貌如圖3所示。

圖3 涂層顯微硬度典型壓痕形貌

2.2 涂層微動磨損性能

圖4為100 μm和400 μm微動行程下涂層摩擦系數(shù)隨微動循環(huán)次數(shù)的變化曲線。

圖4 微動過程中涂層摩擦系數(shù)變化曲線

剛開始的數(shù)個循環(huán)由于涂層表面氧化膜在摩擦作用下發(fā)生破碎，涂層摩擦系數(shù)迅速升高至0.79和0.98。隨后摩擦系數(shù)急劇減小，是由于黏著磨損的發(fā)生產(chǎn)生了第三體粒子，具有一定的潤滑作用[18]。涂層的摩擦系數(shù)表現(xiàn)出劇烈的浮動，表明涂層處于磨粒磨損狀態(tài)，在摩擦作用下循環(huán)發(fā)生第三體磨粒的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移過程。顯然，400 μm行程參數(shù)下涂層的磨粒磨損更為嚴(yán)重。100 μm行程參數(shù)下涂層的摩擦系數(shù)變化曲線相對穩(wěn)定平滑，說明經(jīng)過前期的磨粒磨損過程后，涂層處于長期的黏著磨損狀態(tài)。

圖5為掃描電鏡下涂層磨損區(qū)二維形貌。100 μm位移條件下的磨損形貌為橢圓形，與400 μm條件下磨損形貌比較，沿著微動方向并無太大差別，但是垂直于微動方向，400 μm位移下的涂層損傷區(qū)域明顯擴(kuò)大，磨損形貌接近于圓形，說明該位移下涂層磨損過程中材料流動比較充分。

圖5 磨痕表面形貌

圖6為涂層磨損深度沿垂直于微動方向的變化曲線。100 μm位移下涂層的最大磨損深度為43.1 μm，400 μm位移下涂層最大磨損深度為115.1 μm，最大深度都為磨損的中心區(qū)域。值得關(guān)注的是，由于黏著磨損作用，100 μm位移下磨屑在磨痕的邊緣堆積形成高度不一的山脊輪廓，并且在圖5c中可以看到?jīng)]明顯的硬化層，而圖5d中400 μm位移下的磨痕并無硬化層的產(chǎn)生，這也印證了位移較大時涂層的磨損主要與磨粒磨損過程有關(guān)。

圖6 磨痕深度變化曲線

3 結(jié) 論

(1)在當(dāng)前噴涂工藝參數(shù)與所用粒度較大粉末條件下，所制備CuNiIn涂層孔隙率約2.8%，靠近基體一側(cè)涂層孔隙率低于遠(yuǎn)離基體側(cè)。變形量較大的顆粒在絕熱剪切失穩(wěn)作用下形成冶金結(jié)合，部分顆粒處于機(jī)械咬合狀態(tài)，涂層組織較粉末原始組織細(xì)化，涂層與基體以機(jī)械咬合的形式形成沉積。

(2)涂層顯微硬度沿厚度方向呈增大趨勢?？拷w一側(cè)涂層硬度平均值為274 HV2 N，隨著厚度增加涂層硬度增大到300 HV2 N并保持穩(wěn)定。

(3)微動磨損試驗表明，100 μm位移和400 μm位移條件下涂層的微動磨損機(jī)制有明顯區(qū)別。100 μm位移時涂層的磨損形貌為橢圓形，微動磨損失效方式以黏著磨損為主，400 μm位移條件下涂層磨損形貌接近圓形，涂層失效方式以磨粒磨損為主。隨著位移增大涂層磨損過程中材料流動更充分，磨損深度增加。