表面喷涂Mo和WC对TiAl基合金耐磨性的影响
欧阳鸿武,李安湘,贺跃辉,黄伯云,唐建成,刘文胜
中国有色金属学报
[摘 要]针对TiAl基合金排气门在483Q柴油发动机台架试验后杆部产生局部磨损的情况,进行了TiAl基合金表面喷涂Mo和WC的摩擦磨损试验研究。结果表明: TiAl基合金表面与Mo和WC涂层间的结合方式为机械咬合; TiAl基合金表面喷涂Mo能显著提高其耐磨性,磨损量减少50%;喷涂WC使硬度提高30%,但耐磨性下降,磨损量上升30%。
[关键词]摩擦;发动机; TiAl基合金;等离子喷涂
TiAl基合金具有密度低、比强度高、高温力学性能和高温抗氧化性能好等优点,是一种具有广泛应用前景的新型轻质高温结构材料[1, 2]。将其用于制造汽车发动机的进/排气门,有利于提高发动机的工作温度,使热效率进一步提高;可减轻气门近50%的质量,从而有效降低气门的运动惯性,有利于提高发动机高速性能;同时能减轻气门对气门座的冲击,相应减少对气门座的磨损,有利于保持发动机的技术状况,起到节能、减少废气污染和噪声的作用。简言之,推广使用TiAl基合金发动机排气门符合现代汽车技术发展的需要[3~7]。但从铸态层片状TiAl基合金发动机排气门在经历483Q柴油机发动机台架耐久性试验后出现杆部局部磨损和擦伤情况分析,提高其局部耐磨性仍是推广应用TiAl基合金排气门过程中一个重要的研究内容。
根据减摩耐磨机理,在金属表面喷涂软或硬涂层是提高其耐磨性的可行途径,这方面的研究受到广泛重视,并得到有效应用[8~13]。为此开展了TiAl基合金试样表面喷涂软涂层Mo和硬涂层WC的耐磨性试验研究。
1 试验方法
根据磨损试验机对磨损试样的尺寸要求制备TiAl基合金磨损试样,经表面喷砂处理后分别喷涂Mo和WC涂层,测量表面硬度后在磨损试验机上进行磨损试验,之后对磨损表面进行扫描电镜分析。
1.1 TiAl基合金试样制备
按T-i 48A-l 2Cr(摩尔分数, %)成分配比,在真空磁悬炉中浇铸锭子,脱模后采用HIP工艺(热等静压)消除孔洞,然后根据磨损试验机对磨损试样的尺寸要求,线切割成12.4mm@12.4mm@19mm试样。
1.2 表面喷涂Mo和WC工艺
试样表面用丙酮清洗除油,然后喷砂粗化,为了增强涂层的粘结强度,先在TiAl基合金试样表面喷涂约0.1mm的NiCrAlY作为粘结底层。采用PT公司(PLASMA TECHNIK AG)生产的R750-C等离子喷涂设备及标准喷涂工艺参数喷涂Mo和WC,涂层厚度约为0.5~0.7mm。
1.3 磨损试验条件
磨损试验在MHK500型环块磨损试验机上进行,摩擦环为淬火轴承钢,硬度为HRC 58~62,直径为49.24 mm。依据发动机运行时气门的摩擦条件选定试验载荷和转速分别为100 N和1 500 r/min。试验时,先进行5min无载荷磨合试验,之后进行25min磨损试验。
2 试验结果
2.1 试样宏观硬度
对试件表面硬度的测量结果表明: TiAl基合金硬度为HRC22 ~ 24,喷涂WC使硬度提高到HRC28~30,而喷涂Mo硬度为HRC20~21。
2.2 涂层SEM像
图1和图2为Mo和WC涂层与TiAl基合金机体结合情况的SEM照片。底层与基体为平滑咬合,涂层通过底层与TiAl基合金结合,涂层孔隙率为10%~15%。
2.3 磨损量和摩擦系数
磨损试验后,分别测出TiAl基合金、Mo和WC涂层的磨损量和相应的摩擦系数[13],结果列于表1中。TiAl基合金摩擦系数最小,但磨损量大致是Mo涂层的2倍;尽管Mo涂层的摩擦系数最大,但磨损量最小,约为WC涂层磨损量的1/3。
2.4 磨损表面形貌SEM像
通过磨损试验后,试样表面形貌的SEM扫描照片如图3~5所示。载荷和转速分别为500N和1000r/min条件下(更为苛刻)的TiAl基合金表面磨损形貌照片与图5基本一致。对图中整体和相应位置的成分扫描结果列于表2中。
3 试验结果分析
3.1 涂层的结合方式
Mo和WC涂层与TiAl基合金表面的结合方式可从SEM和成分扫描结果中看出,由于涂层与基体间没有发生元素渗透,可以确定其结合方式为机械咬合。
3.2 磨损机理分析
从磨损表面形貌看出,三者表面形貌有明显区别,说明占主导地位的磨损机制并不相同。Mo涂层磨损表面呈现明显的磨粒磨损特性,从图3(a)和(b)可看出Mo涂层磨损表面上出现刮痕和发生剧烈塑性变形的痕迹,通过对图3中a点和b点进行电子探针微区分析可以发现两处分别富集Fe和Mo元素。这种表面不同区域元素成分的差异也体现了磨粒磨损和粘着磨损的特点,从摩擦环上脱落的磨屑滞留在凹坑中,既有材料因粘着而发生元素的集体转移,又有明显犁沟。因此,磨损是磨粒磨损和粘着磨损的综合作用,但以磨粒磨损为主。WC涂层为脆性涂层,其磨损表面有明显片状剥落和塑性变形特征,如图4所示。电子探针微区分析表明其表面有Fe元素,且不同区域Fe含量差别不明显,数量较少,说明粘着磨损很严重;犁沟已不明显,说明磨粒磨损不是其主要磨损方式,其磨损过程可能是由于外载荷造成WC表面接触应力,导致裂纹扩展,引起表层材料的剥落。剥落的WC碎片落入摩擦表面之间成为磨粒引起细的划痕,所以疲劳磨损为主要机制。
TiAl基合金表面出现了明显犁沟,同时也存在脆性剥落表面,这取决于TiAl的硬度与冲击韧性。TiAl较摩擦环块软,虽有一定室温延性和冲击韧性,但仍是脆性材料,电子探针微区成分分析也发现不同区域的Fe含量差异明显(e点的Fe含量比f点高出近3倍),因此其磨损过程具有粘着磨损及磨料磨损的特点。表面犁皱是磨粒对TiAl表面切削挤压塑性变形的结果,接触应力下TiAl的表面形成裂纹及裂纹扩展造成TiAl碎屑剥落成为磨粒,e点富集Fe元素,表明这一凸起是因粘着而转移的环块材料。在磨擦过程中,摩擦环在高温下疲劳、熔化,产生明显粘着磨损。对TiAl表面的磨损主要是磨粒磨损,而对摩擦环而言主要是粘着磨损。
在摩擦实验中, WC涂层之所以磨损最快,是由于本身属于脆性涂层,加上致密度不够,内部孔隙成为内部结构弱点,在摩擦过程中易发生破裂,逐渐因疲劳而崩落。崩落的碎片成为磨粒,压入表面产生裂纹,促进了WC涂层的剥落。虽然喷涂WC降低了TiAl基合金的耐磨性,但TiAl基合金表面喷涂WC能有效提高硬度,使其表面硬度由HRC24提高到HRC 31。从摩擦实验结果来看Mo涂层是有效的耐磨损涂层,这与选用低硬度的耐磨材料和表面覆层有利于防止擦伤的结论是基本一致的[14]。
参考文献略
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