三种热喷涂涂层耐磨性能的研究（文字版　无需下载）

三种热喷涂涂层耐磨性能的研究

　　分类：喷涂技术

　　摘要:通过采用平稳加载往复滑动和动态加载冲击划痕2种试验条件,研究了以钴基合金为重点的3种热喷涂涂层的耐磨性,并初步探讨了其磨损机理.结果表明:3种涂层在滑动摩擦过程中的磨损机制为微切削和犁削;在冲击划痕条件下材料流失方式则以凿削和断裂为主.试验结果证实,热喷涂涂层的耐磨性不仅与其宏观硬度有关,还与涂层的塑性、脆性及内聚强度密切相关.

　　关键词:热喷涂涂层;耐磨性;塑性;脆性;内聚强度

　　钴基合金以其优良的高温性能及摩擦学性能而在涡轮叶片上获得应用,但因其价格昂贵而促使人们以钴基合金涂层来代替整体合金.随着对航空发动机技术要求的提高,如高性能、高翻修寿命以及高可靠性等,工艺简便、用材广泛、适用于各种基体的热喷涂技术得到迅速发展.从提高耐磨性出发,优选应用于发动机涡轮叶片的涂层,对延长发动机的使用寿命和降低成本具有重要意义.有关热喷涂涂层的应用及耐磨性的研究报道较多[1～4],但迄今国内对钴基合金涂层耐磨性的研究报道很少,且多以提高涂层宏观硬度的方法来提高涂层耐磨性.本文作者选择宏观硬度大体相当的钴基合金涂层Greatwall-1、X-40以及Cr3C2-NiCr涂层作为研究对象,通过不同的加载方式,研究涂层的塑、脆特性及内聚强度的差别对其耐磨性能的影响.

　　1 实验部分

　　1.1 试验材料

　　以1Cr18Ni9不锈钢为热喷涂的基体材料,片状样品尺寸为45mm×25mm×3mm;采用等离子喷涂方法制备3种涂层,涂层厚度均为0.3mm.在进行摩擦磨损试验前对所有涂层试样进行研磨,使其表面粗糙度Ra均在1μm以下.采用DXT-3型数显硬度计,按HR-15N标准测定涂层的宏观硬度.2种钴基合金和Cr3C2-NiCr涂层粉末原料的化学成分以及各涂层的宏观硬度见表1（略）.

　　1.2 试验设备与方法

　　在MT8-002型往复式滑动摩擦磨损试验机上进行平稳加载摩擦磨损试验,对摩销试样为金刚石洛氏硬度压头,锥角120°,顶部曲率半径200μm.试验条件:平均滑动速度0.01m/s,往复距离8.5mm,载荷5N、10N和15N,试验时间1h.用2201型表面形貌仪测量磨痕的截面积并据此计算磨损体积损失,以单位磨损行程下的磨损体积损失评价涂层的耐磨性能.采用扫描电子显微镜(SEM)观察不同载荷下磨痕表面形貌,分析探讨平稳加载条件下涂层的磨损机制和塑、脆性能.

　　单摆冲击划痕试验可以用来研究材料在冲击加载条件下的摩擦学行为,特别是能够用来考察材料的塑、脆性能[5～7].试验选定初始摆角为80°,入侵速度为2.1m/s.自由释放摆锤,令安装在摆锤下端的圆锥状硬质合金(YG6)划头在试样表面划出一系列深浅不同的弧形槽.根据划痕前后的摆角差,计算出每次划痕所消耗的能量;根据表面形貌仪和读数显微镜测出的结果计算划痕体积和表面积.

　　用划痕单位体积及单位面积上所消耗的能量,即比能耗和内聚能来表征涂层的耐冲击磨损性能及层间内聚强度.对各涂层在相同试验参数下的冲击划痕形貌进行SEM对比分析,观察涂层的破坏形貌特征,并讨论其塑、脆性能.

　　2 结果与讨论

　　2.1 平稳加载下涂层的耐磨性

　　在滑动干摩擦试验中,测量3种载荷下各涂层的磨损量(单位磨损行程下的体积损失),以单位载荷下的磨损量作为磨损率,用其倒数的大小来衡量涂层材料的耐磨性即抗滑动磨损能力.3种涂层的磨损量与载荷的关系如图1（略）所示,各磨损曲线的斜率即该涂层的磨损率.可以看出,在本试验载荷范围内,涂层的磨损率与载荷无关,但宏观硬度相近的3种涂层的耐磨性相差很大.通过计算发现,X-40钴基合金涂层的磨损率最低,约为Greatwall-1钴基合金涂层磨损率的九分之一,而Cr3C2-NiCr涂层的磨损率居于二者之间.X-40涂层、Cr3C2-NiCr涂层、Greatwall-1涂层三者的相对耐磨性为8.9:3.8:1.0.

　　图2（略）所示为滑动干摩擦条件下磨痕形貌SEM照片.可以看出,磨痕表层均呈现明显犁沟特征,微切削和犁削是造成涂层材料流失的主要机制.这是由于在滑动磨损过程中,销试样的金刚石磨头可以磨削涂层中的软、硬质点,并可犁去部分涂层.

　　在图2(a和b)中都可观察到沿滑动方向的塑性流动迹象,说明等离子热喷涂钴基合金涂层的塑性较好;但Greatwall-1涂层中的WC强化相含量较X-40涂层的低,故更易发生塑性变形.图2(a)表明金刚石磨头对Greatwall-1涂层的层状结构的犁削和破坏很严重,而图2(b)中涂层的犁沟最为平整,显示X-40涂层的韧性和层间结合较好.因此在滑动摩擦磨损条件下,X-40涂层的耐磨性远优于Greatwall-1涂层.

　　Cr3C2-NiCr涂层在滑动磨损过程中形成典型的网状裂纹[见图2(c)].这预示硬度略高的Cr3C2-NiCr涂层的脆性很大.在压应力和拉应力的反复作用下,脆性涂层易产生微裂纹,并沿层间扩展造成涂层的断裂和剥离,对其耐磨性不利.但在平稳加载试验条件下,裂纹尚未造成Cr3C2-NiCr层状结构的大片剥离,故其耐磨性虽低于钴基合金的X-40涂层,却仍优于Greatwall-1涂层.

　　2.2 冲击载荷下涂层的耐磨性

　　在单摆冲击划痕条件下,由于划头为硬质合金,所加载荷的变化率极大(在本试验条件下加载率最高可达到1×104N/s),材料磨损机制包括凿削和断裂.比能耗[6]包含表面材料的塑性变形功、断裂功、新表面形成能以及划头与材料间的摩擦功等,能较好地反映材料的抗冲击和磨粒磨损行为.3种涂层的比能耗e随划痕深度变化的关系曲线如图3（略）所示.可以看出, 在划痕较浅时,比能耗随着划痕深度的增加而迅速下降,而达到一定深度后变化趋于平稳.这是由于随着划痕深度的增加,划痕表面积的增长率低于体积的增长率,即材料在磨损过程中消耗在界面上的能量增长远远低于消耗在体积上的增长,因而划痕较深时表面积增加所造成的影响越来越小.

　　采用相同划痕深度所对应的比能耗或曲线平稳变化阶段的比能耗作为判据,对材料的抗冲击磨损性能进行比较.与平稳加载下不同,在本试验范围内,动态加载下Cr3C2-NiCr涂层的抗冲击磨损性能不如Greatwall-1涂层,可见硬而脆的Cr3C2-NiCr涂层对冲击加载条件下的磨损较敏感.

　　在单摆冲击划痕过程中,划头可逐层犁削材料并产生新的表面,相应地可以测得不同的能量损耗,这表明分开一定量键合原子与消耗的能量有关.因此可将单位划痕表面所消耗的能量近似视作材料的内聚结合能,并将其作为涂层内聚结合强度的判据.计算每种涂层的两条划痕,得到X-40的内聚结合强度判据为0.100J/mm2,Cr3C2-NiCr的为0.091J/mm2,Greatwall-1涂层的为0.040J/mm2.值得注意的是,上述涂层内聚结合强度判据排序同涂层的滑动磨损性能排序相同.这表明在平稳加载条件下,3种涂层的耐磨性可能主要取决于热喷涂层的层状结构的内聚强度.

　　图4（略）所示为单摆冲击划痕条件下3种涂层划痕的SEM形貌照片.由图4(a)可见,Greatwall-1涂层在硬质划头冲击加载的犁削作用下产生严重塑性变形,划痕表面出现明显的层状剥离现象,大量磨屑被推挤到划痕两侧,表明这种涂层的层间结合力较弱.这是由于Greatwall-1涂层中Si含量较高,Si在喷涂过程中可能以脆性夹杂相存在于合金相中,影响合金的相互融合所致.X-40涂层在硬质划头冲击加载的凿削和犁削作用下,塑性变形较轻微[图4(b)];在划痕表面出现与滑动方向成45°角的细密微裂纹,被凿削下来的少量涂层材料仍保留在划痕两侧.表明这种涂层有一定的变形能力,而且其塑、脆性能比较适中.而由图4(c)可见,Cr3C2-NiCr涂层在硬质划头冲击加载的凿削作用下几乎不发生塑性变形,划痕表面出现与滑动方向成45°角的较长裂纹,大量较薄的层状脱落出现在划痕两侧.被凿碎的材料完全从基体中脱离,呈现较明显的脆性断裂特征.Cr3C2-NiCr涂层的变形能力和韧性最差,这是由碳化铬的性质决定的.

　　总体而言,宏观硬度大体相当的3种涂层的耐磨性差异很大.X-40涂层虽然硬度略低于Cr3C2-NiCr涂层,却因含有WC强化相并具有良好的韧性和内聚强度,在2种加载方式下耐磨性最佳.Cr3C2-NiCr涂层宏观硬度最高,脆性也最大;而Greatwall-1涂层的内聚强度和硬度最低,但塑性较好,因此在不同的加载条件下这2种涂层的耐磨性不如X-40涂层.

　　　　3 结论

　　a. 3种涂层在滑动摩擦过程中的磨损机制是微切削和犁削,在冲击划痕时的材料流失方式则以凿削和断裂为主.

　　b. 平稳加载下3种涂层的耐磨性强弱依次为:X-40涂层>Cr3C2-NiCr涂层>Greatwall-1涂层,其耐磨性主要决定于涂层的层状结构的内聚强度.在动态加载下3种涂层的耐磨性依次为:X-40涂层>Greatwall-1涂层>Cr3C2-NiCr涂层,此时其耐磨性主要决定于涂层的韧性.

c. 　　热喷涂涂层的耐磨性不仅与其宏观硬度有关,还与涂层的塑、脆性能和层间内聚强度密切相关.

　　

能否提出一个直接的耐磨指标,在标准磨的条件下,单位时间内磨去的金属.

楼主能把Cr3C2-NiCr涂层的硬度值和耐温说明下吗

是否同时具有耐磨、耐冲击、耐600度高温、耐锌腐蚀四种性能。据说现在有一种陶瓷可以用在锌锅中，具有以上四种性能。

太好了，我就喜欢不要下载的

　　　Cr3C2-NiCr可以用在８１７度高温耐磨耐蚀，热喷涂Cr3C2-NiCr硬度高达ＨＶ１０００，主要用在如：连续退火炉中温段炉辊，抗磨防粘涂层（宝钢１８００汽车板生产线）；耐燃气冲蚀（电厂高温锅炉等）；在高温下替代ＷＣ－ＣＯ的部分涂层．
　　ＷＣ－１２ＣＯ就可以用在镀锌生产线的沉没辊上，可以显著提高沉没辊的耐磨性．
　　如有需要这方面的咨询请来电：１３９１７４４５２４８唐文　　　ＱＱ：７８２５８８２６

摘要 : 本文从热喷涂技术的角度对NiCr-Cr3C2粉的性能、结构、组成及国外发展状况做了简介; 用HOF喷涂

一、前言
在众多的碳化物中。只有碳化钨(WC)和碳化铬(Cr3C2)作为热喷涂材料在工业上得到实际应用。前者通常用于工作温度低于500度的耐磨涂层，而Cr3C2则用于高温(直至900度)工作状态。在热喷涂技术的应用领域中，航空、发电及汽车制造是三大重要板块，而Cr3C2涂层在发电、冶金和航空等系统得到广泛应用。NiCr-Cr3C2热喷涂材料的研制开发，正是基于我国这些相关行业的急迫需要而实施的。
二、热喷涂简述
热喷涂是一种表面强化技术。它采用电弧、等离子弧、燃气一氧气等形式的热源，将被喷涂的涂层材料熔化或半熔化，并在气流的作用下使之雾化成微细熔滴或高温颗粒，以很高的飞行速度喷射到经过处理的基体表面，形成具有某种功能的涂层。依据所选材料及喷涂方法的差异，所得涂层具有耐磨损、抗氧化、电导与电阻、抗大气和浸渍腐蚀、耐化学腐蚀、隔热耐高温、恢复尺寸、机件间隙控制等功能，近年来又扩展到装饰或生物工程等领域，从而热喷涂在工程技术界得到广泛应用，已经从最初的简易维修扩充到航天、航空、交通、铁路、石化、采矿、冶金、电力、机械等各领域。国家科委和经委已连续将此项技术列为"六五"、"七五"期间全国重点推广的技术项目，并已取得上百亿元的经济效益。依热源形式的不同，热喷涂可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂(亦称高速氧-燃气喷涂，即HOF)。等离子喷涂的火焰温度可达10000°C，几乎可喷涂一切固态材料，在热喷涂技术占有重要地位，并在航空发动机等高技术行业中发挥着不可替代的作用。其它几种方法各有特点：火焰喷涂成本最低、适合喷涂一些金属或合金等低熔点的材料；电弧喷涂的操作成本低，涂层质量好于火焰喷涂，但只能喷涂一些能导电的材料，爆炸喷涂的粉末飞行速度很高，涂层致密，结合强度高，但灵活度较差，用途受到限制。自八十年代初，超音速火焰喷涂开始出现，经过多年的发展，已在热喷涂技术中占有一席之地，它的最大特点是火焰焰流速度和粉末速度非常高，可达1000-2000米／秒，涂层质量与爆炸喷涂相当，持别适合喷涂在高温中易氧化或脱碳的粉末材料，如WC或Cr3C2粉，涂层与基体的结合强度高达90MPa以上。缺点是耗气量大。热喷涂技术的最大特点是沉积速度高，通常一个单元设备的喷涂速度为5-8公斤／时，最多可达15公斤／时;二是可选择的喷涂材料广泛，材料不同，涂层性能亦千差万别，从而可提供性能各异的涂层表面，满足各种不同的需求。在世界驰名的SULZER METCO公司，可生产350多种粉末材料和50多种线材。仅含Cr3C2的粉末就有10种之多。
三、主要性能及典型应用
NiCr-Cr3C2粉由两种不同性能的组份构成。其中NiCr合金具有良好的耐热耐蚀性，常用的成份是80％Ni-20％Cr。Cr-C系有Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6三种化合物，熔化温度分别为1810°C，1726°C和1575°C。其中Cr3C2是最常见与最重要的一种。这些碳化铬所具有的特点是，在金属碳化物中抗氧化能力最强，在空气中只有在1100-1400度才开始显著氧化。在高温条件下依然保持相当高的硬度。Cr3C2还具有很强的耐蚀性和耐磨性，在稀硫酸溶液中是1Crl8Ni9Ti不锈钢耐蚀性的30倍，而在蒸汽中则是Co-WC合金的50倍。用NiCr-Cr3C2喷涂电厂锅炉炉管，管壁磨损量由1.5-2.0mm／年减少到0.03mm／年，使其工作寿命延长至七年以上。通常用NiCr作为耐热合金粘结相与Cr3C2硬质相近热喷涂形成涂层，就构成了优良的抗高温耐磨材料。采用HOF或等离子喷涂工艺，使NiCr合金与Cr3C2陶瓷能有充分的条件形成均质的金属陶瓷涂层，这种涂层在高温条件下具有耐磨损、耐冲蚀、气蚀和微振等功能，同时也抗高温气体(即使是含S气体)腐蚀及高温氧化等特性。典型的应用是：燃煤锅炉炉管(电厂、造纸厂)、冶金退火炉辊、热成型模、液压机阀门、燃杆芯轴，透平机气封环、风档、内喷咀支撑，泵套、热碎辊、活塞导轨、拨叉、压气机气密封、伸缩接头、水轮机喷咀、假造工具、透平排气支撑等。
四、结构与组成
作为热喷涂材料，NiCr-Cr3C2有不同的结构与组成。在结构上，分为混合型及包覆型，前者是NiCr与Cr3C2各作为一个组份按一定粒度及重量的要求混合而成。这种型式的NiCr-Cr3C2粉已应用多年，至今仍占据重要地位。包覆粉出现于八十年代初，它是利用化学及冶金方法将NiCr和Cr3C2两种组份包覆在一起，成为一种复合粉。这种粉末在喷涂时减少了失C的可能性，并使涂层均质化程度高，质地均匀。NiCr-Cr3C2粉的组成，主要是指两组份之间的比例。NiCr合金本身，通常选用80Ni％20％Cr，而NiCr合金的含量，可由0增至50％，随着NiCr的增高，涂层的韧性加大，但硬度降低，耐磨性交差，只有二者比例恰到好处，涂层的抗高温性、耐磨性和耐蚀性才达到综合最佳值，一般以NiCr占20-25％为宜。
五、国外发展状况
早在六十年代末，美国METCO公司就开发了NiCr-Cr3C2粉。这种粉末为混合型，NiCr含量有7％，15％，20％和25％等几个级别，粒度范围从140目到5μm，中间设立几个区间。用等离子喷枪喷涂．主要用于航空发动机另件的强化。这种状况一直保持到七十年代末。至八十年代初，国外开始研制包覆粉，主要采用高压氢还原、热扩散、等离子雾化、团聚和烧结破碎等方法。但直到九十年代初才有这种产品推向市场。在这些产品中，等离子喷涂仍以混合型粉为主，只有用超音速火焰喷涂，即粒度在-300目的粉末才采用包覆型粉。

三种热喷涂涂层耐磨性能的研究（文字版　无需下载）