热喷涂金属陶瓷涂层的接触疲劳失效机理分析
朴钟宇，徐滨士，王海斗，程莉
材料保护(增刊)
摘要:热喷涂作为再制造工程的重要技术之一应用十分广泛，本文主要对热喷涂金属陶瓷涂层的接触疲劳失效形式和机理进行了分析和总结。由于热喷涂涂层制备过程和工作条件不同，所以涂层有很多种接触疲劳失效形式如点性、分层、剥落等，相应的失效机理也不相同，点性失效主要是由材料表面微观断裂造成;分层失效主要是由涂层内部的宏观剪切应力造成;剥落失效是由涂层近表面的微观缺陷造成。同时，金属陶瓷涂层的失效机理中还有很多需要进一步研究和证明的地方。
关键词:再制造;热喷涂;金属陶瓷涂层;接触疲劳;机理
0前.言
随着我国经济的高速发展，对资源的要求也日益膨胀，资源消耗非常严重。因此，我国政府对废旧物资的再利用也非常重视。再制造工程是解决资源浪费、环境污染和废旧装备翻新的最佳方法和途径，是符合国家可持续发展战略的一项绿色系统工程。众所周知，表面工程技术作为再制造的重要技术手段，在军用、民用领域都取得了巨大的成功，其功能主要是通过在废旧零部件表面通过热喷涂等手段制备涂敷层而实现的，热喷涂作为表面工程的重要技术支撑，也得到了快速的发展和广泛的应用，同时热喷涂材料也不断地更新换代，其中金属陶瓷材料以其超高的强度和韧性得到了普遍地应用。随着热喷涂技术的不断推广，作为再制造质量评估体系重要内容的热喷涂涂层的性能评估受到了很大的关注，由于服役环境的复杂性和损伤的随机性，所以要评估涂层的性能，就必须了解其失效机理，本文主要对受接触疲劳热喷涂金属陶瓷涂层的失效机理的研究现状进行了分析和总结，以指导生产实践。
1接触疲劳失效机理分析的发展
接触疲劳又称表面疲劳磨损，是轴承、齿轮等一类零件的接触表面在接触应力的反复长期作用后所引起的一种材料表面疲劳剥落损坏现象。长期以来人们对接触疲劳的失效机理做了深人地研究，进行了大量的实验，得到了许多的成果。最早的表面弹性接触分析是由He由于1881年提出的，他在基于三点假设的基础上提出了材料相互接触时最大剪切应力不是发生在材料表面，而是发生在距离表面一段距离的表面下方，指出了在Hertz接触条件下，材料的失效是从最大剪切应力的地方开始的，这就是著名的赫兹理论。
1935年S.Way提出了最早的点蚀理论，1952年Smith和Liu研究了表面接触对亚表面应力分布的影响，在此基础之上，N.P.suh从1973年开始用来几年的时间提出和完善了磨损剥层理论。1978年，K.Fujita和A.Yosh用铬镍渗碳钢比较系统地研究了纯滚动及滚滑动条件下的接触疲劳磨损问题，探讨了深层剥落裂纹形成及扩展机理。1994年，W.Cheng和H.S.cheng等在接触疲劳裂纹萌生的微观机构模拟试验中，介绍了滑动接触边界并研究了表面附近的裂纹萌生过程。尽管关于疲劳机理的论述仍存在着争议，但是比较共同的认识是:接触疲劳磨损破坏宏观力学上的原因，是由于在表层上最大切应力的作用所致，而最大切应力的分布如图1所示。
多样化，失效机理更加复杂化。各国的学者为了探究热喷涂涂层的接触疲劳失效机理进行了大量的理论分析和实验验证。随着材料科学的不断进步，以陶瓷，尤其是金属陶瓷作为热喷涂材料成为了近年来热喷涂技术的一个新的发展方向，所以金属陶瓷涂层的接触疲劳失效形式和机理受到普遍的关注，下面部分就重点对热喷涂金属陶瓷涂层的失效形式和机理进行分析和总结。
对表面涂层接触疲劳领域的研究，在过去的十年里也取得了显著的进步，虽然失效的机理在本质上与上述理论相似，但是由于涂层材料和基体材料在各方面性质上的失配，使得涂层的接触疲劳失效形式更加2涂层的接触疲劳失效形式由于涂层材料和基体材料的不均一性，导致了在不同接触应力下不同的失效形式，所以要了解涂层的失效机理，就必须了解涂层的失效形式，再针对各种失效形式，来探究其相应的失效机理，以达到最大限度地防止涂层失效的最终目的。
经过各国学者的不断地实验研究发现，热喷涂涂层的接触疲劳失效形式主要有三种。其中，R.Ahmed等人对用等离子喷涂(APS)和高速火焰喷涂(HVOF)分别制备了WC一Co金属陶瓷涂层，并对其接触疲劳性能进行了系统地分析，他们使用经过改造的四球接触疲劳试验机，即将上球体换成了一个圆锥体，在圆锥体上喷涂涂层，进行接触疲劳实验。通过对失效圆锥体的表面和横截面的观察，得到了金属陶瓷涂层的三种典型的失效形式:表面磨损失效(如图2)，其表现为涂层的表面出现大量的小麻点，磨痕非常浅且麻点都分布在接触磨痕的宽度之内;剥落失效(如图3)，其表面形式为表面出现较大的剥落坑，剥落坑的宏观形貌呈现圆形或椭圆形，而且尺寸一般小于接触磨痕的宽度，而且相对于涂层层内分层失效而言，剥落坑底部底面比较平整，距离表面的距离较小，并且在剥落坑尖锐的边缘处可以发现层状结构逐层开裂导致的阶梯状形貌;分层失效(如图4)，它包括两种形式的分层，即层内分层失效和整层脱落分层失效，分层区域的面积和宽度较大，一般情况下，分层失效的宽度要大于接触磨痕宽度，并且比剥落坑要深得多，且存有陡峭的边缘。其它研究中出现的失效形式基本上都可以归结为这三种形式，所以表面磨损、剥落和分层即为热喷涂涂层的主要失效形式。
涂层的接触疲劳失效机理与涂层的失效形式密切相关，下面就分别对涂层的三种主要失效形式的失效机理进行分析。
3涂层的接触疲劳失效机理
3.1点蚀的失效机理
点蚀是比较常见的接触疲劳失效形式，它的产生的原因主要是由于在接触区域存在微观滑动，从而出现了表面微凸体之间的直接接触，形成了犁削和微观剪切，导致了微凸体的塑性变形和微观断裂，从而形成了点蚀。由于微观断裂，在实验开始后不久就会在接触区域出现磨屑，从而形成三体磨损加速了形成点蚀的过程，这点可以通过在实验开始后不久人工停止实验并分析润滑液的方法得到验证。通过实验人们发现不仅在不完全润滑的情况下出现磨屑，即使在完全润滑的条件下也能发现磨屑的存在，R.Ahmed分别对点蚀失效的APS和HVOF的WC一Co涂层进行了分析了，认为这种情况的出现可能是由于在润滑油进人接触区域初期的微凸体之间相互剪切和个别较高的微凸体的犁削造成的。磨屑的出现加速了点蚀的发生.
3.2分层失效的失效机理
涂层的分层失效也是比较典型的接触疲劳失效形式，其存在着两种失效形式，即层内分层失效和整层分层失效，下面就分别介绍一下这两种失效机理。
3.2.1层内分层的失效机理
各国学者经过长期的研究提出，在涂层内的最大剪切应力和正交剪切应力处的微观缺陷和微裂纹在这两种应力的作用下不断地扩展，最终扩展到了涂层的表面导致了层内分层失效的发生，但是对于这种层内分层失效机理的说法一直存在着争论。R.Ahmed等人用三种不同的热喷涂方式制备了Wc一Co涂层来分析两种分层失效的机理，在实验中制备了两种厚度的涂层，即厚涂层和薄涂层，通过实验发现，发生分层失效的厚涂层多数是由于层内分层，而薄涂层则多数是由于整层分层。通过对失效涂层的分析，发现发生层内分层失效的涂层的分层深度有的与最大剪切应力的深度基本一致，有的与正交剪切应力的深度基本一致，这种实验结果证明了宏观应力机制控制层内分层失效的理论。在接触应力相同的条件下，厚除层内的最大剪切应力和正交剪切应力都发生在涂层的内部，由于在喷涂过程中的粒子速度、温度以及骤冷应力等因素的影响，导致了涂层内部的局部应力集中，使得制备的涂层不可避免的存在着微观缺陷和微裂纹。
在最大剪切应力和正交切应力处的微裂纹，在应力的作用不断的扩展，但是在两种应力机制下的裂纹的生长方式是有所不同的，最大剪切应力控制的裂纹主要有两种扩展的方式，即沿着与基体平行的方向扩展和与周围的裂纹结合扩展，也就是说在单一的最大剪切应力的控制之下微裂纹只能横向发展不能到达涂层表面形成分层，而正交剪切应力控制的微裂纹是向表面生长的，可以单独形成分层失效，当最大剪切应力控制的裂纹与正交剪切应力控制的裂纹连接在一起时就可以向表面发展形成最后的失效。所以，通过实验R.Ahmed等人认为层内分层失效的原因就是在正交剪切应力位置的微观缺陷和微裂纹扩展到涂层表面或者与最大剪切应力处微观缺陷和微裂纹结合扩展到涂层表面的结果。R.Nieminen等人用APs和Hv0F制备的WC一Co涂层的实验结果也证明了这一观点。Masahiro Fujii等人用APs制备了氧化铝金属陶瓷涂层其中部分涂层用HVOF制备了镍基过渡层以考察接触疲劳失效机理，也得到了厚涂层是由于层内最大剪切应力和正交剪切应力处微裂纹扩展导致失效的结论，并且发现如果上述两种应力都在涂层内部的情况下，制备镍基底层对层内分层失效没有抑制作用，这也间接地证实了上述失效机理。
3.2.2整层分层的失效机理
通过R.Ahmed等人的实验发现，薄涂层比较容易发生整层分层的失效现象，并且发生整层分层失效的涂层的寿命即循环周次都比较短，由此可以看出整层分层失效是危害性比较大的一种失效形式，应该得到了重点的研究以达到防止其发生的目的。通过大量的实验研究发现，当涂层的厚度比较薄的时候，其最大剪切应力往往不出现在涂层的内部，而是出现在基体中或者是涂层和基体的结合界面上，由于喷涂材料和基体材料的失配(如机械性能失配即杨氏模量和泊松比的不同等)以及在制备基体表面时产生的杂质污染涂层等原因导致了在涂层与基体界面处的微观缺陷和微裂纹，这些微观缺陷和微裂纹在最大剪切应力的作用下迅速地向表面扩展，其扩展速度远大于在涂层内由正交剪切应力控制的裂纹扩展速度，并且扩展的方向也是直接指向涂层表面的，这些裂纹或者直接扩展到涂层表面造成整层涂层的脱落或者在涂层内部与由正交剪切应力控制的裂纹结合一起向表面扩展造成失效。MasahiroFujii等人在部分氧化铝陶瓷涂层与基体的结合区域制备了镍基过渡层，明显改善了涂层与基体的结合强度，实验证明这种方式可以有效地抑制整层分层失效的发生。
通过对两种分层失效形式机理的研究，表明分层失效是受宏观剪切应力控制的一种失效形式，对于厚度不同的涂层发生失效的方式和机理也有所不同如图6。同时接触应力等因素也能改变涂层内部剪切应力的分布，从而影响涂层的分层失效形式。
3.3剥落的失效机理
涂层的剥落失效是一种随着热喷涂技术手段不断地进步而出现的失效形式，主要因为早期的热喷涂技术使得涂层中存在大量的微观缺陷，使得涂层发生点蚀或分层而失效，后来随着技术的进步，涂层的结合强度和微观结构都得到了增强，通过合理的设计可以使分层失效的可能性降低，这种情况下，经过长周期的应力循环，在表面和近表面上的一些不可避免的缺陷就会导致剥落的发生。关于剥落的失效机理现阶段存在着很多说法，其中5Way的润滑油进入裂纹尖端导致剥落发生的说法曾具有相当的影响，S.Way认为润滑油在接触应力的作用下产生高压油波快速进人表面微裂纹，对裂纹壁起强力的冲击作用，同时裂纹的接触面又将裂纹口压住，使裂纹内的油压进一步增高，引起了裂纹向纵深扩展最终形成了剥落坑[7〕。但是后来的研究发现这个假说仅适用于低粘度的润滑油，而高粘度的润滑油进入不了裂纹的尖端，所以这种说法并不准确。Hogmark的研究结果表明:涂层内部最大剪切应力的位置比剥落坑底部的位置低很多，所以这类失效不应该由宏观的剪切应力所导致，而由涂层内部的微观应力所导致。涂层剥落失效可能与表面磨损行为及涂层的微观结构有关，剥落失效可能起始于涂层的表面或次表面的微观缺陷，由于循环载荷的作用，涂层内部微观缺陷的周围会存在较大的应力集中，这种应力集中，促使着微观裂纹的萌生和扩展。这种微观裂纹的扩展方向可能是随机的，一旦相邻裂纹相互连接，可能会向涂层表面继续扩展，最终导致了涂层层状结构逐层开裂，形成了在剥落坑边缘，涂层内部的层状结构的阶梯式分布。在循环载荷的作用下，在涂层的近表面也可能形成微剪切，这种剪切虽然不足以使涂层产生分层失效，但是可以影响涂层中的未融或半融颗粒和硬质相等，使其产生剥离，最终也可以导致剥落失效。X.C.Zhang等和w.c.Lih等分别对通过APS制备的ZO2/NICoCrAIY涂层和通过HVOF制备的CrC-NiCr涂层的接触疲劳性能进行了深人的研究，并得到了相似的结论。同时也有研究表明有的情况下剥落的发生是从表面微裂纹向亚表面扩展的结果，所以，金属陶瓷涂层的剥落失效机理还有待进一步地发展。
综上所述，尽管近年来在金属陶瓷涂层的三种接触疲劳失效机理的研究取得了一定的成果，得到了一些结论，但是其失效机理还有很多需要进一步去研究探讨和实验验证的地方。
4结语
长期以来各国学者为研究热喷涂陶瓷涂层的失效机理、相互关系及危害程度进行了大量的工作，R.Ahzned认为这几种失效形式发生的时间有所不同，在接触初期由于接触应力较大易发生分层失效，在接触平稳期由于微凸体的微观断裂导致接触应力降低，所以发生点蚀和剥落失效的可能性又增大了。大量的实验结果表明当涂层由于表面磨损和剥落引发失效时，涂层的接触疲劳寿命较高。这说明，这两种失效形式中，涂层的损伤累积时间较长;反之，如果涂层因为界面分层而引发失效，涂层的寿命将相对较低。但是由于受接触疲劳失效的零件的服役环境具有很大的复杂性和随机性，再加上热喷涂的过程本身就具有相当的随机性，所以诸多因素影响着涂层的失效。随热喷涂技术、涂层后处理技术的不断进步和纳米级陶瓷材料[26刘的迅速发展，涂层的微观结构和性能都得到了很大的提升，在国家大力发展再制造的背景之下，热喷涂金属陶瓷涂层将得到更加广阔的应用和发展空间，对金属陶瓷涂层失效机理的分析也将取得更大的进步。
图略
参考文献略
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