3 种润滑相尺寸细小。研究表明，在室温到600 ℃的范围内，HFIS304 涂层的耐磨性优于PS304 涂层。 关键词：涂层；高能球磨；高频感应烧结 中图法分类号：TF12 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2010)01-0072-04 耐高温自润滑PS304 涂层采用等离子喷油（PS）， 喷油原料为NiCr(80/20)合金，以及3 种润滑材料， Cr2O3、Ag 和共晶BaF2/CaF2（62/38）[1]。其中，NiCr 合金（60%）可提供良好的耐高温氧化、耐高温腐蚀 性能和基本机械强度；Cr2O3（20%）不仅可强化涂层 的强度，而且可提供有效的高温润滑性能（温度>500 ℃）；当温度低于450 ℃时，Ag（10%）可提供良好的 润滑性能；当温度大于450 ℃时，BaF2/CaF2（10%） 可提供良好的润滑性能[2,3]。 润滑相的尺寸和分布在很大程度上影响着涂层的 耐磨性能。有报道指出，具有纳米结构涂层的耐磨性 能比一般涂层耐磨性能高得多[4]。高频感应烧结(HFIS) 技术是近几年发展起来的一种快速烧结方法，适用于 制备纳米结构材料[5]。本研究将采用高能球磨制备纳 米晶复合粉末，并利用高频感应烧结制备润滑相细小 的HFIS304 复合涂层。 1 实 验 将粉末粒度为40~110 μm 的NiCr、Cr2O3、Ag 和 共晶BaF2/CaF2 粉末按一定比例混合放入球磨机中球 磨10 h，球料比为10:1。钢球材料为轴承钢。转速为 1000 r/min，球磨过程在氩气保护中进行。球磨后，将 粉末冷等静压（200 MPa）到Ni 基合金基底上。在基 体与涂层之间涂覆一层很薄的Ag，Cr (20%)和Cu (30%) 粉末作为焊料。将压制好的试样放入真空感应炉烧结 5 min，加热功率为15 kW。磨损试验采用销盘式磨损 试验机，摩擦副为Ni 基 Inconel X-750 合金。测试温 度分别为20，200，400 和600 ℃。圆销的转动速度 为200 r/min (平均速度1.0 m/s)，滑动距离为1.0 Km。 PS304 涂层的制备过程见文献[4]。 2 结果与讨论 图1a、1b 分别为HFIS304 涂层和PS304 涂层的 横截面SEM 照片。从图1 中可看出，HFSI304 组织细 小、致密（图1a）；而PS304 组织则粗大、孔隙率高 （图1b）。经图像分析，HFSI304 涂层的孔隙率为 图1 HFIS304 涂层与PS304 涂层的断面SEM 照片 第1 期 刘春晖等：Ni 基高温自润滑涂层的显微结构及磨损性能 ·73· 10%，而PS304 涂层的孔隙率为15%。从图中还可看 出，HFSI304 涂层与基底的结合较好，而PS304 涂层 与Ni 基基底之间存在裂缝，有的裂缝长度可达30 μm。 图2a、2b 分别为图1a、1b 的放大图像。从图中 可以看出，HFIS304 涂层中含有3 种相，分别为白色 相、灰色相和深灰色相。EDS 分析证明，白色相(A) 主要为Ag，灰色相(B)为NiCr，深灰色相(C)为Cr2O3 和BaF2/CaF2。从图中还可看出，HFIS304 涂层相分布 较为均匀，Ag 和NiCr 的尺寸均小于5 μm。而PS304 涂层的相分布很不均匀，存在典型的层状结构，NiCr 的尺寸为5~15 μm，Ag 颗粒的尺寸为30~60 μm。这 说明其原始粉末只是进行了简单的机械混合，并没有 被磨碎，这导致涂层中Ag 的分布很不均匀。由于存 在不熔或半熔的粉末颗粒，所以PS304 涂层组织较为 疏松。此外，在PS304 涂层的层状结构之间存在尺寸 大于5 μm 的空洞，这是由于等离子喷油过程使涂层包 覆空气造成的。 图3 为图2a 的进一步放大图像。从图中可以看 出，深灰色区域是由许多小颗粒组成，颗粒尺寸小于 1 μm。EDS 结果显示，这些颗粒主要为Cr2O3 和 BaF2/CaF2。但是在PS304 涂层中，Cr2O3 和BaF2/CaF2 相的颗粒尺寸为5~10 μm，相比可知，HFIS304 涂层 中自润滑颗粒尺寸比PS304 涂层中自润滑颗粒尺寸小 得多。 图4 为HFIS304 涂层和PS304 涂层分别与摩擦副 Ni 基合金Inconel X-750 在不同温度下的摩擦系数曲 线。结果显示，在20 ℃时，HFIS304 和PS304 都有 较高的摩擦系数，随着温度升高，摩擦系数逐渐下降， 最后保持恒定。然而，从图中可以看出，在相同的试 验温度下，HFIS304 的摩擦系数低于PS304。 图5 为温度对HFIS304 和PS304 磨损率的影响曲 线。从图中可以看出，室温时，HFIS304 和PS304 有 较高的磨损率，随着温度的升高，二者的磨损率逐渐 下降。在相同的试验温度下，HFIS304 的磨损率比 PS304 的低10%~20%。 图6 为室温下HFIS304 和PS304 磨损表面的SEM 照片。可见，二者的磨损表面都十分粗糙，磨损表面 有很多磨屑。经EDS 分析，磨屑主要为脆性相Cr2O3 与BaF2/CaF2，这说明微观脆性断裂是室温时HFIS304 和PS304 磨损面的主要磨损机制。对比图6a 与6b 可 以发现，PS304 表面的磨屑比HFIS304 表面多。这也 说明了PS304 的磨损率比HFIS304 磨损率高。这是因 为晶界强度决定脆性断裂强度[6]，由于热膨胀和弹性 模量差异导致的残余应力会使晶界强度降低，而根据 Hall-Petch 关系，晶粒尺寸越大，晶界之间的残余拉应 力也越大，这会导致晶间断裂的可能性增大。 因此， 晶粒尺寸越小，导致晶界开裂和晶粒拔出所需要的外 力就越大[7]，最终导致HFIS304 涂层中脆性断裂被约 束，从而造成其磨损率低于PS304。 ·74· 稀有金属材料与工程 第39 卷 图5 HFIS304 和PS304 磨损率随温度变化曲线 |
