等离子喷涂铁基合金涂层的研究进展

时间：2017-06-29 15:49:33 来源：Hot Working Technology 作者：马旭，李文鹏，夏阳洋，王瑞，冯菊芳，张雪君，

摘要：基于等离子喷涂 Fe 基合金涂层的研究成果，综述了等离子喷涂 Fe 基合金涂层的微观结构、力学性能、摩擦磨损性能和接触疲劳性能的基本情况，并对各项性能的影响因素、影响机制等作了分析。提出了相应的改善涂层性能的措施，以期为等离子喷涂制备高性能 Fe 基合金涂层提供指导。
关键词：等离子喷涂；铁基合金；微观结构；结合强度；摩擦磨损性；研究进展

1 涂层微观结构

1.1 涂层结构
     等离子喷涂铁基涂层（原料粉末含铁量 70%左右）具有典型的热喷涂涂层结构，即由高度扁平化的变形粒子相互搭接而成的波浪形层状结构[1-5]。由于并非所有原料粉末都充分熔融，因而涂层中含有少数变形不充分及未熔或半熔粒子，这导致层状结构的搭接边缘存在较小尺寸的孔隙，相邻扁平结构之间存在较多微短裂纹，尽管如此，涂层整体的致密性仍然较高[6]。此外，在喷涂过程中熔融金属粒子发生高温氧化形成氧化物，部分氧化物在粒子表面和内部的对流运动中被卷入粒子内部。而另一部分氧化物在粒子表面聚集、凝固形成一层薄的氧化物层，夹杂着氧化物的熔融粒子在基体上铺展、凝固形成了扁平粒子层间和扁平层内部含氧化物夹杂的涂层，具体在 SEM 图像上体现为相互搭接的扁平层被黑色条状物隔开，在扁平粒子内部也有少量黑色的氧化物[7]。
1.2 涂层孔隙率
     热喷涂涂层结构与性能的研究离不开对涂层孔隙率的讨论，同时亦有多项研究表明涂层孔隙率与涂层的力学性能、摩擦磨损特性、疲劳特性等有着直接或间接的关系[8]。 Zhang 等[9]采用不同的原料粉末粒径制得的等离子喷涂铁基非晶涂层最低孔隙率为1.3Kobayashi 等[10]制得的等离子喷涂铁基非晶涂层孔隙率为 2.1%~2.9%；王宾等[11]采用等离子喷涂制得的高铬铸铁涂层孔隙率为 4.85%。目前普遍认为孔隙的形成与涂层堆积过程紧密相关，熔融粒子在沉积过程中由于体积收缩，粒子中气体逸出，以及熔融粒子搭接堆积不致密等均会导致孔隙的产生[6,12]，按照形状可以分为大气孔、涂层内粒子间未结合区域和扁平粒子内部垂直涂层方向的裂纹[13]。郑允宅等[14]采用蒙卡特罗模拟法建立等离子喷涂涂层形成的数值模型，并结合实验验证，建立了涂层孔隙形成的简化模型[14]，基体或涂层表面未被其它层片覆盖时，层片将无缝隙地铺展于表面(见图 1(a))；液滴铺展遇到台阶时，由于液滴表面存在张力，在台阶处将留下孔隙（见图 1(b)）；液滴铺展遇到狭小缝隙时，缝隙难以填充，从而留下孔隙（见图 1(c)）。
     涂层孔隙率与多种因素相关，其中，喷涂工艺参数(喷涂功率、喷涂距离、喷涂时间、粉末尺寸等)的影响尤为明显。崔崇[15-16]研究结果均表明，喷涂功率对 Fe 基非晶涂层孔隙率的影响最大，其它条件不变时，随喷涂功率的增大，涂层孔隙率先逐渐减小，而后逐渐增大。喷涂时间和喷涂距离对孔隙率的影响相对较小。随喷涂功率的提高，有助于获得更大的焰流速度和更高的焰流温度，使喷涂粒子更好熔化并推动粒子以更高的速度撞击基体或涂层表面，从而减小孔隙率。但喷涂功率过高，熔滴撞击基体时易引起飞溅，反而使孔隙率增大。
     综上，低孔隙率的铁基涂层可通过控制喷涂工艺参数获得，采取合适的喷涂功率可获得低孔隙率的涂层。除控制喷涂工艺参数外，涂层孔隙率的降低也可采取封孔处理得以实现[17-18]，即采用刷涂和超声渗透等方法，将封孔剂材料填充到涂层间隙中。

2 涂层结合强度

     涂层的结合强度指涂层与基体的结合强度，等离子喷涂铁基合金涂层的结合强度一般在 15 ～50MPa[19-22]，其中，铁基非晶合金涂层结合强度较晶态合金涂层结合强度略高。涂层的内聚强度指涂层中层间的结合强度，其值一般高于涂层与基体的结合强度，这是因为涂层内部存在残余热应力，并且涂层与基体两者的线膨胀系数不同，在二者结合处将发生应力集中[23]。涂层的结合强度直接取决于涂层与基体之间的接触面积，因而涂层孔隙率的大小将对涂层的结合强度产生至关重要的影响[21]。当孔隙较少时，涂层与基体的“咬合”状态比较明显，涂层内部层状堆积“嵌合”结构也比较显著，这样的“咬合”与“嵌合”能够增加涂层与基体之间的接触面积，从而提高涂层的结合强度。殷秀银等[24]采用控制变量法通过实验验证了影响 FeCrBSi 合金涂层孔隙率的因素（喷涂功率、喷涂距离等）均会对涂层结合强度产生明显影响，影响程度从大到小依次为喷涂功率、辅气流量、喷涂距离和主气流量。

3 涂层硬度

     众多研究表明，等离子喷涂铁基合金涂层的表面显微硬度在 500~950HV 内，其中非晶合金涂层的显微硬度同样较晶态合金涂层高，其显微硬度一般高于 650HV[10,16,20,25,26]，这是因为非晶相内金属原子的排列是无序的，它不存在晶界、缺陷和偏析等，表现出各向同性。尽管如此，其平均硬度值仍然低于HVOF 铁基合金涂层的平均显微硬度(1000 HV)。为进一步提高涂层硬度，可以对涂层进行后续热处理。穆晓冬、Fu 等[27-28]研究了热处理对铁基非晶涂层组织与力学性能的影响，其研究表明，随加热温度的升高，涂层硬度呈非线性变化[27]，加热至 600℃左右时，由于涂层晶化析出的纳米级硬质结晶相不断增多，涂层硬度急剧增大，在此温度附近可获得最大的硬度。

4 涂层摩擦磨损性能

     潘继岗等[29]分别采用等离子喷涂法与超音速火焰喷涂法制得了 Fe 基合金涂层，并对比二者的耐磨性。在室温无润滑摩擦磨损试验中，等离子喷涂涂层较超音速火焰喷涂涂层表现出了更好的耐磨性。
      等离子喷涂 Fe 基合金涂层的磨损以磨粒磨损为主，而超音速火焰喷涂 Fe 基合金涂层的磨损形式为疲劳磨损和黏着磨损，且以疲劳磨损为主。等离子喷涂涂层在具有高硬度的同时涂层中弥散分布着纳米晶颗粒，高硬度使得涂层难以发生塑性变形，且在点接触下不能产生明显脆性剥落，而弥散的纳米晶颗粒对涂层具有很好的弥散强化作用，两者共同作用提高了涂层的耐磨性能。
     雷阿利等[23]在 Q235 基体表面制得了铁基耐磨涂层，并对比了其与 40Cr 硬质合金的耐磨性。在相同的磨损时间内，Fe 基涂层的磨损量小于 40Cr 的磨损量，且随着时间的延长，二者磨损量的差距越来越大。观察涂层磨损后的微观形貌发现，Fe 基合金涂层发生的是磨粒磨损，作者认为涂层中部分非晶态合金和硬度较高的金属间化合物是涂层耐磨性提高的关键。米鹏博等[30]研究了等离子喷涂 Fe 基非晶涂层组织对其耐磨性的影响，证实了非晶涂层在连续加热时的晶化程度能显著影响涂层的耐磨性，发现只有析出一定硬质相的非晶涂层才具有最优的耐磨性。这是由于晶化过程形成的硬质化合物在增大涂层硬度的同时，也损害了非晶态合金固有的良好韧性，使其脆性增大。而有研究表明，等离子喷涂涂层的耐磨性不仅与宏观硬度有关，而且与涂层的塑性、脆性及内聚强度密切相关，因此，只有脆韧性配合良好的涂层才具有最优的耐磨性。
     邢亚哲等[31]对不同基体温度制得的等离子喷涂铸铁涂层的耐磨性作了研究，结果表明，随基体温度的提高，制得的铸铁涂层在相同时间内的磨损量减小，说明其耐磨性提高。基体温度越高，铸铁粒子在沉积过程中的氧化越严重，涂层结构中的氧化相随之增加。尽管氧化物使涂层层间结合减弱，但由于氧化物具有良好的自润滑性，能降低摩擦过程中的摩擦力，其对涂层耐磨性的提高具有积极影响。

5 涂层接触疲劳性能

     零部件的失效一般都是从表面开始，在不同工作环境中，表现出不同的失效形式，功能涂层与工作环境直接接触，是接触疲劳失效的主要部位。常见的轴类、齿类和轮轨等长期承受交变载荷的作用，其失效形式主要为接触疲劳失效。
5.1 典型失效形式及机理
     等离子喷涂涂层的接触疲劳实验表明，Fe 基合金涂层的接触疲劳失效形式有三种：点蚀、剥落与分层，其中，分层失效又分为层内分层失效和界面分层失效[32-36]。
     在循环交变应力的长期作用下，Fe 基合金涂层发生接触疲劳失效。当接触应力较低时，一般发生点蚀失效，表现为在涂层磨痕轨迹范围内出现深度较浅的大量点蚀坑。其成因为两个相互接触的表面发生相对运动，在直接接触的表面微凸体间产生了较大的剪切力，微凸体发生强烈的塑性变形并在剪切力的作用下脱落充当磨粒，这些磨粒与涂层、对磨体形成三体磨损而形成表面点蚀坑[37]。
     当接触应力较高时，涂层一般发生剥落失效。其失效机理目前尚无定论，朴钟宇等[32]认为，剥落失效源于涂层表面或次表面的微观缺陷，这些部位常存在较大的应力集中，促使微观裂纹的萌生与扩展，扩展方式为穿晶扩展[38]，扩展的结果使裂纹相互联结最终形成剥落坑，其面积和深度均大于点蚀坑。分层失效在接触应力很高时发生，表现为大面积的涂层剥落，剥落坑面积和深度均远远大于前两种失效形式，且边缘呈陡峭的梯度分布。界面分层失效严重时将发生涂层与基体的整体分离，对零部件的损害极为严重。研究表明，层内分层失效由最大剪应力控制，这些位置通常存在于孔隙、未熔粒子等微观缺陷部位[33]，在最大剪应力的作用下易促进裂纹的萌生与扩展直至最后失效。而界面分层失效除了与涂层-基体间的结合强度直接相关外，还与涂层与基体间存在的热失配造成的残余应力有关，在剪应力、残余应力的共同作用下最终造成界面的整体失效[3,38-39]。
5.2 影响接触疲劳失效的因素及优化思路
     等离子喷涂 Fe 基涂层的疲劳失效伴随着裂纹的萌生与扩展，影响因素包括内因、外因两方面。内因包括结合强度、涂层厚度、表面粗糙度、微观缺陷和孔隙率等；外因包括接触应力、摩擦条件等。文献[40]对影响机制作了阐述，在此不予赘述。
     张志强等[41]采用声发射信号实时测定了 Fe 基涂层的接触疲劳性能，发现裂纹稳定存在的时间约占涂层疲劳寿命的 70%，因此认为提高裂纹扩展所需的扩展能抑制了裂纹扩展，延长裂纹稳定存在的时间，是改善涂层抗接触疲劳性能，提高疲劳寿命的关键。

6 结语

     国内外学者对等离子喷涂 Fe 基合金涂层的微观结构、力学性能、摩擦磨损性能和接触疲劳性能等做了多方面研究。综合来看，等离子喷涂 Fe 基合金涂层具有良好的综合性能。涂层的成分、微观结构与各种物理化学性能有着密不可分的联系，各类性能间相互影响、相互联系，涂层的实际工作环境错综复杂，各种因素都对涂层的性能产生不同程度的影响，在实际应用中不能单一考虑某种因素，应根据实际情况进行分析，找出主要影响因素，才能给出较优的涂层设计与制备方案。

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附图略

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