NiCr基多元復(fù)合潤滑涂層的耐磨性能研究

唐健江，于方麗，張 闊

(西安航空學院 材料工程學院，西安 710077)

隨著航空技術(shù)的日益發(fā)展及能源的日益短缺，對發(fā)動機提出了更高的要求，即具有更大的推力、更高的效率以及更低的能耗。利用可磨耗潤滑涂層對轉(zhuǎn)子與靜子部件之間氣路密閉性通過有效地控制，可顯著提高發(fā)動機效率，降低燃油消耗。在典型發(fā)動機中，高壓渦輪葉尖間隙每減少0.13～0.25 mm，則油耗可降低0.5%～1%，發(fā)動機的效率提高2%左右[1]。由于工件服役環(huán)境惡劣，這就要求涂層在具有寬溫域自潤滑減磨耐磨效果的同時，還應(yīng)具備良好的抗氧化、抗腐蝕和耐熱循環(huán)等性能。由此可見，研究可在較寬溫度范圍內(nèi)使用、化學性質(zhì)穩(wěn)定，且保持良好潤滑效果的金屬基固體可磨耗潤滑復(fù)合涂層具有重要意義。

可磨耗潤滑涂層大多由各種金屬基材料作為涂層基本結(jié)構(gòu)材料，加入不同比例的各種耐磨材料和固體潤滑劑構(gòu)成。常用的金屬基體材料為NiCr(或NiCrAl)合金，其可提供良好的耐高溫氧化、耐高溫腐蝕性能和基本機械強度。Cr2O3具有較高的熱膨脹系數(shù)，能很好的提高涂層與基體高溫合金的匹配性，被廣泛應(yīng)用于高溫固體潤滑耐磨涂層體系的耐磨相，且當溫度高于500℃時，其還能提供高溫潤滑性[2-3]。

常用的固體潤滑劑主要有石墨、h-BN、MoS2、CaF2/BaF2以及Ag等。h-BN與石墨具有相似的結(jié)構(gòu)，其有白色石墨的美譽，具有優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，可在室溫至800℃范圍內(nèi)具有較好的潤滑性能[4-5]。MoS2為六方晶體的層狀結(jié)構(gòu)，當受到外力作用時，層與層之間弱的范德華力很容易斷裂而產(chǎn)生滑移、形膜，可以有效降低摩擦因數(shù)和減少磨損，但其只能在500℃以下的工作環(huán)境中使用[6-7]。氟共晶(CaF2/BaF2)材料作為高溫固體潤滑劑的涂層材料已經(jīng)在航空發(fā)動機上得到應(yīng)用，當溫度在400℃～900℃時，CaF2/BaF2會由脆性向韌性轉(zhuǎn)變，展現(xiàn)出良好的高溫潤滑性能[8]。Ag作為軟質(zhì)金屬，具有較好的熱導率和延展性特性，在室溫至450℃時，具有較好的低溫潤滑性能[9-10]。

將低溫固體潤滑劑和高溫固體潤滑劑按一定比例混合，可組成較寬溫度范圍內(nèi)使用的復(fù)合固體潤滑劑，其常用的組合形式為h-BN+MoS2和CaF2/BaF2+Ag。因此，本文將對NiCrAl-Cr2O3-BN-MoS2和NiCr-Cr2O3-CaF2/BaF2-Ag兩種多元復(fù)合潤滑涂層進行研究，對比分析其具有相同潤滑相含量時，多元復(fù)合潤滑涂層的高溫(400℃和600℃)耐磨性能。

1 實驗方法

1.1 實驗原料與涂層會被工藝

基體為GH3030高溫合金，試樣尺寸為35mm×24mm×8mm，噴涂前采用丙酮超聲清洗，去除試樣表面的油污，再采用金剛砂對基體表面進行噴砂處理，以提高基體與涂層的結(jié)合強度。可磨耗潤滑涂層原料為自制的NiCrAl-Cr2O3-BN-MoS2粉末(簡稱BN-MoS2粉末)和NiCr-Cr2O3-Ag-CaF2/BaF2粉末(簡稱Ag-CaF2/BaF2粉末)，其形貌如圖1所示。

BN-MoS2粉末的成分含量比例(質(zhì)量分數(shù)，下同)為：65%的基體相NiCrAl，15%的強化相Cr2O3，10%的潤滑相BN和10%的MoS2。Ag-CaF2/BaF2粉末的成分含量比例為：65%的基體相NiCr，15%的強化相Cr2O3，10%的潤滑相Ag，10%的共晶潤滑相CaF2/BaF2。兩種粉末中基體相、強化相及潤滑相的添加比例均相同，但BN-MoS2粉末的平均粒徑約是Ag-CaF2/BaF2粉末粒徑的2倍左右。

(a)NiCrAl-Cr2O3-BN-MoS2

采用高能效超音速等離子噴涂(SAPS)工藝制備可磨耗潤滑涂層，具體噴涂參數(shù)如表1所示。

1.2 涂層性能測試及材料表征

采用美國CERT的UMT-3多功能摩擦試驗儀進行耐磨性能測試，設(shè)定恒定載荷為150N，工作溫度為400℃和600℃，加載時間為30min，移動頻率為10Hz。采用拉伸法測量涂層的結(jié)合強度，儀器為css-silo電子萬能材料拉伸試驗機，測試標準為ASTM C633-79標準，粘結(jié)劑為固體膠膜(FM-1000，USA)。表面洛氏硬度采用的是中型表面洛氏硬度計(HSRN-45)，在每個試樣表面的不同區(qū)域選擇10個點進行測試，然后取其平均值，此即為涂層的表面洛氏硬度值(按ASTM E18標準執(zhí)行)。采用掃描電子顯微鏡(SEM，VEGAII XMU，Tescan，Czech Republic)觀察分析原料粉末粒子表面形貌和涂層截面形貌。

表1 等離子噴涂工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 涂層結(jié)構(gòu)表征

圖2為NiCrAl-Cr2O3-BN-MoS2涂層(簡稱BN-MoS2涂層)和NiCr-Cr2O3-Ag-CaF2/BaF2涂層(簡稱Ag-CaF2/BaF2涂層)截面形貌圖和EDS結(jié)果圖。

通過EDS能譜結(jié)果可知，在BN-MoS2涂層中，白色相為MoS2潤滑相，灰色相為NiCrAl基體相，淺灰色相為BN潤滑相，深灰色相為Cr2O3強化相，如圖2(a)標識所示；在Ag-CaF2/BaF2涂層中，灰色相為NiCr基體相，淺灰色相為CaF2/BaF2潤滑相，深灰色相為Cr2O3強化相，白色相為Ag潤滑相。由截面形貌圖可知，兩種涂層的白色潤滑相分布均勻，且尺寸細小；BN-MoS2涂層的孔隙(如圖中所示深黑色區(qū)域)明顯，且Cr2O3強化相結(jié)構(gòu)粗大；相對而言，Ag-CaF2/BaF2涂層致密，強化相結(jié)構(gòu)較小。

(a)BN-MoS2涂層截面形貌

(b)Ag-CaF2/BaF2涂層截面形貌

(c)BN-MoS2能譜結(jié)果

(d)Ag-CaF2/BaF2能譜結(jié)果

2.2 涂層結(jié)合強度與表面洛氏硬度

涂層的結(jié)合強度和表面洛氏硬度測試結(jié)果如表2所示。由結(jié)果可知，Ag-CaF2/BaF2涂層的結(jié)合強度比BN-MoS2涂層高出49.2%，而表面洛氏硬度相差僅為4.5%。這主要是因為BN-MoS2涂層的孔隙較多，很大程度上降低了涂層的結(jié)合強度，但由于其Cr2O3強化相的尺寸較大，從一定程度上彌補了孔隙所引起的表面硬度降低，使得BN-MoS2涂層與Ag-CaF2/BaF2涂層的硬度相近。

表2 涂層的結(jié)合強度及表面洛氏硬度

2.3 涂層耐磨性能

圖3為BN-MoS2涂層與Ag-CaF2/BaF2涂層分別在400℃和600℃溫度下的摩擦系數(shù)曲線。由圖可知，BN-MoS2涂層的摩擦系數(shù)曲線在不同溫度下均較為穩(wěn)定，而Ag-CaF2/BaF2涂層在400℃時的摩擦系數(shù)曲線比600℃時波動明顯。BN-MoS2涂層的平均摩擦系數(shù)較為接近(400℃時為0.38，600℃時為0.36)；相對而言，Ag-CaF2/BaF2涂層的平均摩擦系數(shù)則隨溫度升高而顯著降低(400℃時為0.35，600℃時為0.28)；其中，600℃時Ag-CaF2/BaF2涂層的平均摩擦系數(shù)比BN-MoS2涂層有效降低將近22.2%。

圖4為BN-MoS2涂層與Ag-CaF2/BaF2涂層分別在400℃和600℃溫度下的磨損深度曲線。由圖可知，兩種涂層的磨損深度都隨著摩擦溫度的升高而增加。在400℃時，涂層的磨損深度是隨著摩擦時間的延長而逐漸加深；BN-MoS2涂層的磨損深度曲線為線性增長，測試結(jié)束后其磨損深度為0.289mm；而Ag-CaF2/BaF2涂層的磨損深度曲線為拋物線增長，測試結(jié)束后其磨損深度為0.236mm，較之BN-MoS2涂層低18.3%。在600℃時，涂層的磨損深度相對穩(wěn)定，BN-MoS2涂層的磨損深度曲線波動明顯(深度為0.096mm)，Ag-CaF2/BaF2涂層磨損深度曲線相對平滑(深度為0.072mm)。

圖3 BN-MoS2涂層和Ag-CaF2/BaF2涂層的摩擦系數(shù)曲線圖

從摩擦系數(shù)和磨損深度結(jié)果可知，隨著工作溫度的升高，涂層的摩擦系數(shù)和磨損深度均降低，表明兩種涂層在600℃高溫下的耐磨性能優(yōu)于400℃時；相較于BN-MoS2涂 層，Ag-CaF2/BaF2涂層在600℃高溫時展現(xiàn)了最優(yōu)的耐磨性能。

圖5為BN-MoS2涂層與Ag-CaF2/BaF2涂層分別在400℃和600℃時的磨損形貌表面。由圖可知，摩擦磨損的測試溫度從400℃升高至600℃時，涂層的磨損形貌由表面粗糙、不完整潤滑膜和較多的磨屑轉(zhuǎn)變?yōu)槟p表面光滑、有完整潤滑膜和少量磨屑存在。400℃時，兩種涂層的磨損表面有大量的磨屑和劃痕存在，表明涂層在摩擦過程中粒子產(chǎn)生了明顯的脆性斷裂，且Ag-CaF2/BaF2涂層中的磨屑比BN-MoS2涂層多，這主要由于Cr2O3強化相的塑性較低，在400℃摩擦過程中晶粒發(fā)生脆性斷裂，形成磨損粒子。低溫固體潤滑相在摩擦和擠壓應(yīng)力作用下，從金屬基體中擠出在易滑移的解理面處發(fā)生斷裂、鋪展形成潤滑膜，而脆性斷裂的磨損粒子會阻礙完整潤滑膜的形成，使涂層產(chǎn)生磨粒磨損，降低涂層的潤滑性能。此外，CaF2/BaF2在400℃溫度下仍為脆性相，摩擦過程主要為脆性斷裂機制，不能發(fā)生塑性變形而形成表面潤滑膜[11]。因此，Ag-CaF2/BaF2涂層的磨損表面殘留的磨屑較多。

c)Ag-CaF2/BaF2涂層

600℃時，涂層磨損表面光滑，潤滑膜表面的磨屑大幅度降低，表明當溫度升高后，涂層的脆性斷裂減少，開始以塑性變形為主。BN-MoS2涂層表面為光滑完整的潤滑膜，有少量的磨屑存在；而在Ag-CaF2/BaF2涂層磨損表面則基本沒有磨屑存在，是由一層具有軟性的、自潤滑相滑移和塑性變形而形成的片狀分布的自潤滑保護膜所覆蓋。600℃高溫摩擦時，具有較大熱膨脹系數(shù)的CaF2/BaF2(25×10-6K-1)和Ag粒子(22×10-6K-1)相比于熱膨脹系數(shù)較小的BN(7×10-6K-1)和MoS2(10.7×10-6K-1)粒子，其在摩擦副的擠壓應(yīng)力作用下更加容易從基體相中溢出和產(chǎn)生塑性變形；此時，BN、Ag和CaF2/BaF2均具有良好的潤滑性，而MoS2則與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，失去潤滑性。此外，在高速往復(fù)運動時，摩擦副與涂層在接觸過程中會產(chǎn)生大量的熱能，接觸表面產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度則迅速升高，使得涂層中分布的CaF2/BaF2粒子由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄訹11]。在外加載荷和摩擦力的作用下，Ag和CaF2/BaF2粒子同時發(fā)生塑性變形轉(zhuǎn)化為潤滑膜，故而在Ag-CaF2/BaF2涂層形成了一層較厚的、呈片狀結(jié)構(gòu)分布的潤滑膜，使得涂層摩擦系數(shù)得到了有效降低。

3 結(jié)論

本研究利用SAPS分別沉積制備了NiCrAl-Cr2O3-BN-MoS2涂層和NiCr-Cr2O3-Ag-CaF2/BaF2涂層，對比分析涂層結(jié)構(gòu)對其結(jié)合強度、表面硬度及其在400℃和600℃下耐磨性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：

(1)相較于BN-MoS2涂層，Ag-CaF2/BaF2涂層結(jié)構(gòu)致密，Cr2O3強化相尺寸細小，潤滑相分布均勻。Ag-CaF2/BaF2涂層的結(jié)合強度為38.2±1.2MPa，比BN-MoS2涂層高出49.2%，而表面洛氏硬度僅高出4.5%；

(2)隨溫度升高，BN-MoS2涂層的平均摩擦系數(shù)變化不明顯，而Ag-CaF2/BaF2涂層降低了25%；Ag-CaF2/BaF2涂層的平均摩擦系數(shù)均低于同溫度下的BN-MoS2涂層，其中600℃時，Ag-CaF2/BaF2涂層比BN-MoS2涂層低22.2%；

(3)在400℃時，涂層的磨損深度是隨著摩擦時間的延長而逐漸加深，而BN-MoS2涂層(0.289mm)比Ag-CaF2/BaF2涂層(0.236mm)高出22.5%左右；在600℃時，涂層的磨損深度相對穩(wěn)定，BN-MoS2涂層的磨損深度(0.096mm)曲線波動明顯，而Ag-CaF2/BaF2涂層磨損深度(0.072mm)曲線相對平滑；

(4)在400℃～600℃寬溫域內(nèi)，Ag-CaF2/BaF2涂層的潤滑性能和耐磨性能均優(yōu)于BN-MoS2涂層，且其在600℃時潤滑性能和耐磨性能效果最佳。