摘 要 以纳米 NiCr/WC 复合粉末（其中 70％的 WC 与 30％的 NiCr）（文中含量均为质量分数）为原料，采用活性燃烧超音速火焰喷涂技术制备了纳米 NiCr/WC 复合涂层。 利用 SRV 高温磨损试验机进行微动磨损试验，结果显示，在其它工艺参数相同的条件下，纳米涂层在喷涂距离为 200 mm 条件下的耐磨性能最差， 在喷涂距离为 160 mm 条件下的耐磨性能最好； 纳米涂层在送粉率为 5 rpm 条件下的耐磨性能最差， 在送粉率为15 rpm 条件下的耐磨性能最好。 此外，与综合性能优良的渗碳轴承钢 20CrNi2Mo 相比，所有的纳米涂层的耐磨损性能都明显优于相同温度条件下的轴承钢的耐磨损性能。
关键词 纳米 NiC/WC 涂层； 微动磨损； 耐磨性
目前，热喷涂技术在军事装备、运输、航空、机械等领域已经获得了广泛的应用， 并且形成了以Fe 基[1-4]、Co 基[5-6]、Ni 基[7-8]为主体的热喷涂粉末材料体系。 然而， 由于传统热喷涂涂层的耐磨耐蚀性能以及应用方面存在缺陷，造成了设备运行故障、预期寿命下降等问题， 热喷涂纳米涂层为更有效解决上述问题开辟了新途径。
采用纳米镍铬碳化钨混合高能球磨粉末作为涂层原料，一方面 NiCr 合金本身有较高的强度和结构稳定性，同时还可起到粘结剂的作用，对强化相颗粒有较好的润湿性和相容性，与之形成牢固结合，并与被强化材料之间形成优良的结合； 另外一方面，WC硬质颗粒具有极高的硬度、强度、弹性模量和化学稳定性，对抵抗外界摩擦、磨损和腐蚀具有重要作用。结合这两种粉末的各自优点， 通过控制热喷涂工艺参数， 制得抗微动磨损综合性能优异的纳米晶复合涂层材料。
1 实验
1.1 材料准备
实验用基体材料为 45 号钢， 喷砂材料为棕刚玉。 采用射吸式喷砂机对基体表面进行喷砂处理，喷砂时压缩空气压力为 0.6～0.8 MPa， 喷砂距离为100 mm，喷砂角度为 70～80°。
纳米镍铬碳化钨复合粉末采用高能球磨技术制备[9-10]，原料粉末为气雾化镍铬（80%Ni-20%Cr）合金粉末（颗粒度为5~50 μm）与纳米级碳化钨（颗粒度为 100~200 nm）粉末，按照 w(WC)=70%、w(NiCr)=30%的配比配料，进行高能球磨。球磨前首先对球磨罐抽真空，再充入普通氮气进行保护，高能球磨机的转速设定为 400 r/min。
1.2 涂层的制备
采用美国 Unique Coating 公司的 intelli-jet AC-HVAF 喷涂技术在 普通碳钢上 制备纳 米 耐 磨 耐蚀涂层，采用的喷涂粉末为自己研发制备的镍铬纳米粉末与镍铬碳化钨纳米复合粉末， 其粒度为：-45 μm＋5 μm，粉末形貌见图 1。喷涂前对基体表面进行除锈、 除油、 喷砂等处理， 涂层厚度在0.4～0.7 mm 之间。
1.3 热喷涂工艺参数的研究
选择燃气压力为 80 PSI（1 PSI=6.895 kPa），送粉量为 15 rpm，喷涂距离依次选为 120～200 mm，见表 1。选择燃气压力为 80 PSI， 喷涂距离选为 160mm，送粉量为 5～15 rpm，见表 2。
1.4 微观结构分析
高温摩擦磨损实验主要采用德国 OPTIMOL 公司产的 SRV 高温磨损试验机进行微动磨损试验。 试样尺寸为 Φ24 mm×7.9 mm，摩擦幅为 Φ10 mm 的硬质合金球，振幅为 50 μm，试验载荷为 50～200 N，频率 f 为 200 Hz， 循环次数 N 为120 000。
2 实验结果与分析
为了考察纳米涂层的抗微动磨损性能， 选用SRV 摩擦磨损实验机对纳米涂层进行了微动磨损试验，试验温度为 25 ℃。在 微 动 磨 损 实 验 中 选 择 了 渗 碳 轴 承 钢20CrNi2Mo 作为对比试样， 磨损体积作为耐磨性能好坏的参照量。由表 3 可以看出，对喷涂距离不同的纳米涂层而言， 纳米涂层在喷涂距离为 200 mm条件下的磨损体积最大，说明在此喷涂距离条件下纳米涂层的耐磨性能最差；纳米涂层在喷涂距离为160 mm 条件下的磨损体积最小， 说明在此喷涂距离条件下纳米涂层的耐磨性能最好。
对送粉率不同的纳米涂层而言，纳米涂层在送粉量为 5 rpm 条件下的磨损体积最大， 说明该纳米涂层的耐磨性能最差；纳米涂层在送粉量为 15 rpm条件下的磨损体积最小，说明在此喷涂条件下纳米涂层的耐磨性能最好。 六种纳米涂层当中，不论采用哪种热喷涂工艺参数，纳米涂层的微动磨损性能都要明显优于轴承钢的微动磨损性能，见表 4。
热喷涂纳米复合涂层的微动磨损性能之所以高于渗碳轴承钢是因为纳米复合涂层中纳米硬质WC 的体积分数较高， 涂层表面显微硬度大幅度提高，在纳米涂层中，纳米 WC 这些颗粒一方面在摩擦磨损过程中起支撑减磨作用，使得复合材料在与摩擦副 WC 球对磨时，接触点涂层部分的塑性变形受到纳米 WC 硬质颗粒的阻碍而减小，粘着磨损趋势减轻，从而保护了涂层不被严重磨损。 另一方面，摩擦过程中增强颗粒纳米 WC 对摩擦副磨损产生的磨削不断嵌入复合材料磨损面较软的基体内而出现增量现象。
热喷涂纳米复合涂层与 WC 对磨球的磨损过程是纳米复合涂层在周期性摩擦应力作用下涂层重量不断损失的过程， 热喷涂纳米复合涂层由于表面显微硬度低于摩擦副 WC 对磨球的硬度， 因此在高温条件下磨损应力周期性作用下摩擦副表面的微凸体逐渐地压入复合涂层的表面， 并在周期性作用下切削基体形成很浅的犁沟和产生塑性变形以及疲劳裂纹与磨损坑（见图 2）。 在不同倍数的扫描电镜下观察发现，磨损表面犁沟很浅、并伴随有塑性变形和粘着磨损（见图 2）。 由于热喷涂纳米复合涂层的细晶强化与纳米 WC 颗粒的弥散强化作用， 热喷涂纳米复合涂层硬度明显提高[12-13]，热喷涂纳米复合涂层在高温摩擦磨损试验中，涂层表面没有润滑液，属于干摩擦， 因此纳米涂层就直接承受了 WC 对磨球与涂层表面垂直的周期性正压力和与涂层表面平行的剪切应力， 使 WC 对磨球的微凸点较难压入纳米涂层的表面，磨损表面的犁沟作用减弱，从而保护了钢基体不被严重磨损。
由图 2（d）中可以发现，由于纳米涂层的塑性良好，在周期性载荷较高摩擦力作用下，纳米涂层的表面出现了搓板状的塑性变形，沿摩擦方向被拉长。由图 2（b）﹑2（c）中可以发现，纳米复合涂层的磨损表面除了较浅的犁沟外还有颗粒脱落后留下的凹坑。 这是由于在周期性的微动磨损过程中， 涂层不断被磨掉，使得涂层颗粒暴露出来，涂层颗粒之间由于不可避免地存在显微孔隙及氧化区域使得热喷涂涂层颗粒之间的结合较颗粒内部的结合相对疏松，在周期性的微动磨损应力作用下，这些颗粒受到WC 对磨球微凸点的周期性冲击力作用， 在涂层颗粒周围的界面产生了周期性的拉、压应力，使颗粒周围涂层孔隙处等薄弱处容易产生疲劳裂纹， 这些孔隙在周期循环载荷的挤压下使孔隙扩大、 连接而减弱涂层对该颗粒的支撑保护作用， 当涂层对该颗粒的支撑保护作用不足以抵抗周期性摩擦力对该颗粒的冲击作用力时， 该颗粒就会从涂层表面脱落形成白色凹坑， 脱落的颗粒在涂层与 WC 对磨球的冲击下随后被破碎并在磨损表面上形成磨粒， 涂层在滑动磨损的基础上又增加了磨粒磨损的作用，这就加剧了涂层的磨损。
总之， 纳米复合涂层在微动磨损条件下的失效形式均为犁削和疲劳磨损。
3 结论
实验研究了不同热喷涂工艺参数制备的纳米镍铬碳化钨涂层分别在常温条件下的微动磨损性能，主要结果如下：
1） 在其它工艺参数相同的条件下， 纳米涂层在喷涂距离为 200 mm 条件下的耐磨性能最差，在喷涂距离为 160 mm条件下的耐磨性能最好；在其它工艺参数相同的条件下，纳米涂层在送粉率为 5 rpm 条件下的耐磨性能最差，在送粉率为15 rpm 条件下的耐磨性能最好。
2） 与综合性能优良的渗碳轴承钢的对比，所有的纳米涂层在常温条件下的微动磨损性能都要明显优于渗碳轴承钢。
3） 纳米复合涂层在微动磨损条件下的失效形式均为犁削和疲劳磨损。
参考文献略
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