王云壯，秦青豐，王京成，候平，王澤*

（江蘇理工學院材料工程學院，江蘇 常州 213001）

高強鋁合金因其抗拉強度高、密度小、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點，在高鐵列車、航空航天、能源裝備、武器制造等領域應用廣泛[1-4]。隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，鋁合金材料的需求日益增多，對其性能要求愈加嚴格。在一些特殊的場合，因為高強鋁合金的表面耐磨性較差，在使用過程中易發(fā)生磨損，所以其應用受到了較大程度的限制。如在我國的鋁合金石油鉆桿領域，由于鋁合金不耐磨的缺點，在鉆探時磨損較大，導致轉柱可靠性降低，因此我國的高強鋁合金鉆桿大部分還是依靠國外進口[5-7]。為了解決高強鋁合金耐磨性差這個問題，在其表面制備高硬度且耐磨性好的涂層，不失為一個好方法[8-9]。在現(xiàn)代工業(yè)體制下，制備涂層的方法不勝枚舉，利用熱噴涂技術進行涂層的制備是近年來涂層制備領域研究的熱點。涂層噴涂技術主要有爆炸噴涂、超音速火焰噴涂、超音速電弧噴涂、超音速等離子噴涂、冷噴涂等工藝，其中超音速火焰噴涂(HVOF)是一種高速、價廉的熱噴涂技術，噴涂過程中的焰流速率可達2 200 m/s，制備的涂層性能較為優(yōu)異，適合制備多種體系的金屬及金屬陶瓷涂層[10-11]。

目前，能夠作為表面涂層制備的材料種類繁多、各有優(yōu)點，其中陶瓷材料具有高硬度和良好的耐磨性、耐蝕性，是目前工業(yè)中最流行的耐磨涂層之一。比如，Cr2O3基陶瓷涂層具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性和耐蝕性，硬度高且摩擦因數(shù)低，在高溫、腐蝕性或磨損環(huán)境下是一種很有效的表面防護手段。另外，應用較為廣泛的金屬耐磨涂層不僅具有極高的硬度與良好的耐磨能力，在耐腐蝕方面也具有突出的優(yōu)勢，其中最有代表性的是Ni60合金涂層。WC基涂層材料則是以高硬度難熔金屬的碳化物、微米級粉末為主要成分的硬質合金，不僅具備很高的顯微硬度和良好的耐磨性，而且具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性[12-19]。

本文以7055超高強鋁合金為研究對象，采用超音速火焰噴涂技術在基體表面分別制備Cr2O3、Ni60及WC三種涂層，對其微觀結構、硬度和耐磨性進行表征，研究不同涂層的微結構對其性能的影響，并闡明它們的磨損機制。

1 實驗

1.1 涂層制備

基體材料選用尺寸為150 mm × 70 mm × 5 mm的7055高強鋁合金板材。噴涂前先用酒精進行超聲波除油，再選用24#棕剛玉進行噴砂處理，最后進行200 ℃預熱處理。Ni60涂層的噴涂材料為粒徑15 ~ 40 μm的Ni60球形粉末，WC涂層的噴涂材料為粒徑10 ~ 45 μm的WC-12Co粉末。制備Cr2O3涂層時，先用粒徑15 ~ 53 μm的哈氏合金粉末制備過渡層，再用粒徑為15 ~ 45 μm的Cr2O3粉末制備實驗涂層。采用JP-5000超音速火焰噴涂設備進行噴涂，工藝參數(shù)如下：噴涂距離350 mm，氧氣流量520 L/min，煤油流量16 L/min，噴涂角度90°，送粉電壓4 V。

1.2 涂層的結構表征及性能測試

采用D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)對涂層的物相進行分析。利用Sigma500場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察涂層截面的顯微組織，采用ImageJ軟件計算涂層的孔隙率。采用HVS-1000B數(shù)顯轉塔顯微硬度計對涂層的顯微硬度進行測試，載荷300 g，保壓時間12 s，每個涂層試樣隨機取8個位置進行測試，取其平均值。采用MDW-02型高速往復摩擦磨損試驗機對涂層進行摩擦磨損性能測試，磨頭選用直徑6 mm的氧化鋯陶瓷球，載荷20 N，主軸轉速120 г/min，磨損時間20 min。采用三維輪廓掃描儀對磨痕輪廓進行掃描，計算磨損體積與磨損率，并采用SEM觀察磨痕形貌，分析涂層的磨損機制。

2 結果與討論

2.1 微觀組織形貌及物相分析

從圖1a可以看出Cr2O3涂層為雙層結構，厚度約為408 μm，表面Cr2O3涂層與基體之間有一層哈氏合金過渡層，哈氏合金明顯更致密，起到增強Cr2O3涂層與基體結合力的作用。從圖1b可以看出Cr2O3涂層的組織中有較多氣孔，孔隙率約為5.1%，較高的孔隙率是熱噴涂時Cr2O3顆粒未充分熔化所致。從圖1c可以看出Ni60涂層為單層結構，厚度約為399 μm，涂層與基體的界面相互咬合，兩者屬于機械結合。從圖1d可以看出Ni60涂層的組織均勻且致密性較好，孔隙率約為0.6%，分析認為較低的孔隙率是因為熱噴涂時Ni60中的金屬顆粒得到了充分熔化。另外，在Ni60涂層中彌散分布著粒徑約為1.5 μm的第二相顆粒。從圖1e可以看出WC涂層為單層結構，厚度約為412 μm，涂層與基體的界面沒有明顯的合金化現(xiàn)象，界面結合也是機械相互咬合。從圖1f可以看出WC涂層無較大的氣孔，致密性較好，孔隙率約為1.1%，且從圖2可以看出在WC涂層組織中分布著大小不一且形狀不規(guī)則的WC顆粒。

圖1 涂層的SEM圖像 Figure 1 SEM images of coatings

圖2 WC涂層的能譜圖 Figure 2 Energy-dispersive spectrum of WC coating

從圖3可以看出Cr2O3涂層的主相為Cr2O3，但存在少量單質鉻。鉻可以降低陶瓷涂層的脆性，提高其斷裂韌性及耐磨性[20]。Ni60涂層中含有γ-Ni(Fe)、Ni3Fe、Cr2B、Cr23C6等相。超音速火焰噴涂過程中Cr23C6會發(fā)生一定的分解，使得涂層中Cr含量增多并形成含Cr的硼化物析出相，而硼化物也屬于硬質相，對涂層起到了彌散強化的作用[21]。WC涂層的相組成為W、WC、Co和W2C，而之所以有少量W相是因為在超音速火焰噴涂過程中WC發(fā)生脫碳。由于溫度高，起粘結作用的粘結相Co比WC先熔化，使WC顆粒均勻緊密地覆蓋在表面。

圖3 涂層的XRD譜圖 Figure 3 XRD patterns of coatings

2.2 顯微硬度

涂層顯微硬度的提高可在很大程度上抑制涂層的塑性變形，有利于增強涂層的抗磨粒磨損性能[22]。因此，顯微硬度是耐磨涂層性能探究過程中主要的力學性能指標。從圖4可以看出3種涂層的顯微硬度相對于基體都有顯著的提高。WC涂層的顯微硬度最高達到1 200 HV左右，比基體的顯微硬度(約200 HV)高了約5倍，Cr2O3與Ni60涂層的顯微硬度則均在800 ~ 900 HV之間。

圖4 7055鋁合金基體及其表面分別熱噴涂Cr2O3、Ni60和WC涂層的顯微硬度 Figure 4 Microhardness of 7055 aluminum alloy and thermally sprayed Cr2O3, Ni60, and WC coatings on it

2.3 耐磨性

根據(jù)圖5得出的不同涂層磨痕寬度和平均深度列于表1?？梢钥闯?，基體磨痕寬且深，Ni60涂層的磨痕的寬度與深度小于Cr2O3涂層，而WC涂層表面磨痕的深度與寬度都最小。

圖5 不同試樣的磨痕三維輪廓與截面 Figure 5 Three-dimensional profiles and sections of wear scars of different specimens

表1還給出了磨損體積與磨損率的計算結果。從中可知3種涂層及基體的磨損率大小關系為：基體 > Cr2O3> Ni60 > WC。與基體相比，WC涂層與Ni60涂層的耐磨性提高了至少9倍，Cr2O3涂層提高了3倍多。Cr2O3涂層雖然有較高的硬度，但涂層的組織不夠致密，孔隙較多，易應力集中而產生微裂紋，對涂層的耐磨性產生不良影響[22-23]；Ni60涂層硬度略低于Cr2O3涂層，組織最為均勻，孔隙率最低，且涂層中有硬質相析出，因此其耐磨性良好；而WC涂層致密，且其表面覆蓋有硬度極高的WC顆粒，所以在耐磨性上表現(xiàn)最佳。

表1 磨損試驗相關數(shù)據(jù) Table 1 Data of wear test

2.4 磨損機制

圖6a為Cr2O3涂層磨痕放大100倍的SEM圖像，從中可以看出有明顯剝離黏著現(xiàn)象的存在，而放大至2 000倍后可以看出磨痕上有磨粒磨損所形成的裂紋和輕微犁痕(見圖6b)。由于Cr2O3涂層有許多孔隙，摩擦磨損時在壓力的作用下，表層孔隙會有微裂紋產生，從而導致表面Cr2O3等硬質顆粒脫落，脫落的顆粒在涂層表面與磨球之間起到兩體磨損的作用，切削涂層表面而使得產生大量的磨屑，這些磨屑在摩擦磨損的過程中被不斷重復地擠壓，于是涂層表面形成龜裂紋片[20]。此外，由于壓力的作用，涂層的一些層間結合處的孔隙 也會產生裂紋，導致表層從涂層上剝落，在摩擦磨損壓力的作用下形成龜裂紋片[20]。因此，Cr2O3涂層的主要磨損機制為剝落磨損。從圖6c可以看出Ni60涂層的磨痕中有明顯的犁溝現(xiàn)象，放大2 000倍后可以看出磨痕上分布著大量的犁溝，這是由于Ni60涂層的主體是較軟的γ-Ni(Fe)，涂層上脫落的磨粒對涂層產生了切削作用[24]。因此，Ni60涂層的主要磨損機制為疲勞磨損。圖6e顯示W(wǎng)C涂層磨痕整體較為輕微，放大2 000倍后可以看出有顆粒從表層脫落形成的凹坑，這屬于疲勞磨損的形貌特征。另外，WC涂層有微裂紋存在是由于涂層中WC等硬質相的脫落，當這些硬質相壓入或劃擦涂層表面時，隨壓力產生了拉伸應力。因此，WC涂層的磨損機制主要為磨粒磨損。從圖6g可以看出基體磨痕整體寬而大，在磨痕表面有犁溝和剝落坑的存在，放大2 000倍后可以看出有十分明顯的黏著現(xiàn)象(見圖6h)。這是由于鋁合金基體表面硬度較低，在與氧化鋯陶瓷球進行摩擦磨損的過程中，后者很容易鍥入基體的表層當中，并在基體表層內部不斷切削，從而引起鋁合金材料的轉移和剝落[25-26]。陶瓷球與基體表面劇烈摩擦時產生反復的塑性變形使得部分表面的氧化膜被擠破，之前轉移和剝落的材料在基體表面就形成了黏著現(xiàn)象。當這種過程不斷循環(huán)，就造成了磨痕表面大面積的片狀剝落。因此，基體的主要磨損機制為黏著磨損。

圖6 磨痕的SEM圖像 Figure 6 SEM images of wear scars of different specimens

3 結論

(1) 采用超音速火焰噴涂技術將Cr2O3、Ni60和WC三種粉末分別噴涂到前處理過的7055高強鋁合金基體表面，獲得的涂層都與基體結合良好、孔隙率適中、硬度高，均可提高基體的耐磨性。

(2) 3種涂層中WC涂層孔隙最少，WC顆粒在組織中均勻分布，涂層的顯微硬度較基體提高了約7倍，耐磨性比基體高了約12倍。

(3) 7055鋁合金基體及其表面Cr2O3、Ni60和WC涂層的主要磨損機制分別為黏著磨損、剝落磨損、疲勞磨損和磨粒磨損。