高温自光滑涂层的显微构造及磨损功能

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 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。 图7 为200 ℃时HFIS304 和PS304 磨损表面照 片。由图7a 可见，磨损表面上形成有不连续的润滑膜。 EDS 分析表明，润滑膜中含有大量的Ba、Ca、F、Ag。 这是由于Ag 与氟化物具有比Ni/Cr 基底和Cr2O3 高的 热膨胀系数。温度升高后，BaF2/CaF2 和Ag 从表面上 溢出，在摩擦力的作用下发生塑性变形，最终在表面 形成润滑膜。但是，BaF2/CaF2 在常温下为脆性材料， 只有当温度超过400 ℃时，BaF2/CaF2 才能由脆性转 变为塑性材料，从而表现出优越的自润滑性能[8]。因 此，在200 ℃时，BaF2/CaF2 能够塑性变形形成润滑膜 的原因可能与HFIS304 组织结构有关。从图2 可以看 出，BaF2 与CaF2 主要位于Cr2O3 之间，而PS304 中 BaF2 与CaF2 主要分布在基底NiCr 中，与NiCr 相比， Cr2O3 具有较低的热传导性，从而使得Cr2O3 粒子中的 BaF2/CaF2 在摩擦过程中由于瞬间接触而产生的热量 无法通过Cr2O3 而快速传导出去，造成BaF2/CaF2 粒子 温度升高而发生脆性向塑性的转变。最终在摩擦面上 形成由BaF2/CaF2 与Ag 组成的光亮层，从而大大降低 HFIS304 的磨损率。然而，PS304 在200 ℃的摩擦表 面没有形成润滑膜，只有大量的磨屑存在（图7b）。 当温度为400 和600 ℃时，HFIS304 和PS304 的 磨损表面非常相像，图8 为400 ℃时涂层的磨损照 片。从图中可以看出，HFIS304 和PS304 涂层磨损表 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 ·75· 面都形成了连续的润滑膜，但HFIS304 涂层表面润滑 膜更完整、均匀。这主要是由于HFIS304 中自润滑相 尺寸细小，且分布更加均匀，因此形成的润滑膜就比 较均匀，最终使得在400 和600 ℃时，HFIS304 比 PS304 的磨损率分别低15%和10%。 3 结 论 1) 用高能球磨与感应烧结技术制备的HFIS304 涂层，组织致密、细小，孔隙率为10%，Cr2O3 和 BaF2/CaF2 尺寸大约为1 μm，Ag 的尺寸小于5 μm。 2) 当温度从室温升高到600 ℃时，HFIS304 的 摩擦系数和磨损率均小于相同试验条件下的PS304 试样。