熱噴涂耐磨涂層殘余應(yīng)力及其對(duì)耐磨性能影響的研究現(xiàn)狀

黃 淙，樊坤陽(yáng)（通信作者），劉子京，萬(wàn)維財(cái)，李玉和

（1 西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川 成都 610000）

（2 成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 四川 成都 610106）

0 引言

隨著國(guó)防、民用工業(yè)的發(fā)展以及能源危機(jī)的日趨加劇，采用熱噴涂技術(shù)制備耐磨防護(hù)涂層，可以提高重大裝備中關(guān)鍵零部件耐磨性，延長(zhǎng)其使用壽命，或?qū)σ涯p零件進(jìn)行修復(fù)，有利于節(jié)材、節(jié)能、環(huán)保和提高經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

但是，隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和應(yīng)用要求的提高，熱噴涂耐磨涂層相關(guān)問(wèn)題也日益明顯。例如：噴涂后涂層有時(shí)出現(xiàn)裂紋、起皮等現(xiàn)象；在摩擦服役過(guò)程中，涂層易發(fā)生開(kāi)裂、剝落、分層等過(guò)早或突發(fā)的磨損失效，造成壽命比預(yù)期的要短。涂層中的復(fù)雜殘余應(yīng)力是影響涂層質(zhì)量和摩擦磨損性能的主要因素之一，其存在既有可能帶來(lái)有利影響，如提高疲勞強(qiáng)度；也有可能降低材料的強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕能力等，從而導(dǎo)致涂層服役失效的不可預(yù)測(cè)性，嚴(yán)重影響零部件的耐磨性能和使用壽命，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故。殘余應(yīng)力一直是熱噴涂耐磨涂層材料研究和工程應(yīng)用中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[3-4]，其研究對(duì)于保障涂層/基體構(gòu)件的服役安全和質(zhì)量控制具有重要意義。

本文主要針對(duì)目前熱噴涂耐磨涂層的殘余應(yīng)力及其影響的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，基于熱噴涂技術(shù)原理，簡(jiǎn)要介紹了熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制，并評(píng)述了目前涂層殘余應(yīng)力檢測(cè)現(xiàn)狀；從摩擦服役過(guò)程中涂層殘余應(yīng)力演變以及殘余應(yīng)力對(duì)涂層摩擦磨損性能的影響兩個(gè)方面，重點(diǎn)介紹了其研究現(xiàn)狀。

1 熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)特征

熱噴涂涂層的制備原理是利用火焰、電弧、等離子射流等熱源，將噴涂材料加熱熔融，并高速噴射到基體表面，從而逐層沉積形成涂層[2]，其原理示意圖見(jiàn)圖1。常用的熱噴涂技術(shù)有電弧噴涂、普通火焰噴涂、爆炸噴涂、等離子噴涂、超音速火焰噴涂、低壓等離子噴涂、激光噴涂等[1，5]。

噴涂沉積過(guò)程中，熱噴涂材料的熔融粒子在基體或已沉積層上扁平化鋪展，并快速冷卻凝固，各扁平顆粒相互搭接，逐層沉積，使得熱噴涂涂層呈現(xiàn)典型的層狀結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。由于各熔滴粒子存在客觀尺寸差異，其飛行特性不一，導(dǎo)致各粒子在基體或已沉積層上的鋪展扁平化程度不一，且已沉積層和待沉積層存在溫度差異，這使得相鄰扁平粒子相互搭接堆積時(shí)不可避免產(chǎn)生弱結(jié)合缺陷[6]。這些缺陷構(gòu)成了涂層內(nèi)的層間裂紋和孔隙，并最終影響涂層的性能。

2 熱噴涂涂層的殘余應(yīng)力

2.1 涂層殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制和影響因素

殘余應(yīng)力是指消除外力或不均勻的溫度場(chǎng)等外部因素作用后，仍留在物體內(nèi)的自相平衡的內(nèi)應(yīng)力[8]。殘余應(yīng)力的來(lái)源大致可歸結(jié)于三大因素：不均勻的機(jī)械變形、不均勻的溫度變化和不均勻的相變。

熱噴涂過(guò)程涉及高溫、大溫變、高速流沖擊等，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生不可避免，屬于其自身固有的特性。由于涂層和基底之間、涂層內(nèi)不同組元之間等均存在熱彈性差異，在高溫冷卻過(guò)程中變形不均勻，導(dǎo)致隨之產(chǎn)生的殘余應(yīng)力復(fù)雜、多尺度且不均勻分布。

目前關(guān)于熱噴涂耐磨涂層殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制的研究，大致歸納為以下4 種理論模型：（1）當(dāng)單個(gè)涂層材料熔滴高速撞擊基體后橫向流動(dòng)扁平化并迅速固化冷卻，熔滴的收縮將會(huì)產(chǎn)生淬火應(yīng)力；（2）由于涂層與基體的熱膨脹系數(shù)存在差異，當(dāng)溫度變化時(shí)，涂層與基體變形的趨勢(shì)差異將產(chǎn)生熱應(yīng)力，這在涂層殘余應(yīng)力起因中占主導(dǎo)地位；（3）涂層和基體材料在經(jīng)歷大溫變的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生不同程度的相變，這種變化積少成多，從微觀累積到宏觀，從而引起相變應(yīng)力；（4）熱噴涂過(guò)程中，由于涂層材料對(duì)基體或前期已沉積的涂層的高速撞擊，引起應(yīng)變釋放，隨著越來(lái)越多的涂層材料沉積，將產(chǎn)生較大的沖擊殘余應(yīng)力。

熱噴涂涂層的殘余應(yīng)力主要受噴涂材料和基體材料的物理性能差異、熱噴涂工藝（如噴涂溫度、噴涂距離、噴涂顆粒飛行速度、基體預(yù)熱溫度、噴涂后的冷卻過(guò)程等）和涂層厚度等因素的綜合影響。這些因素決定著涂層殘余應(yīng)力的特性、大小以及分布，可以實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的有效調(diào)控。

2.2 涂層殘余應(yīng)力檢測(cè)

涂層殘余應(yīng)力的準(zhǔn)確測(cè)定，對(duì)于確保工件的安全性和可靠性極其重要。已有的涂層殘余應(yīng)力研究報(bào)道[8-9]，一般采用數(shù)值計(jì)算或采用如鉆孔法、X 射線衍射法、曲率法等實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段進(jìn)行。其中，數(shù)值計(jì)算方法一般基于理想模型或者將復(fù)雜因素簡(jiǎn)化、假設(shè)處理，其真實(shí)可靠度難以保障；鉆孔法、曲率法等大多只涉及宏觀殘余應(yīng)力，缺乏深入微觀探索；而實(shí)驗(yàn)室常規(guī)X 射線衍射法獲得的是材料表面的應(yīng)力狀態(tài)，在研究涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力分布時(shí)，需要結(jié)合有損的剝層方式進(jìn)行。

以熱噴涂WC-Co 系涂層的研究為例，J.Stokes 等[10]采用數(shù)值計(jì)算方法、X 射線衍射法及鉆孔法對(duì)WC-Co 系涂層殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，對(duì)比發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)手段得到的表面殘余應(yīng)力值存在差異性。Y.Y.Santana 等[11]采用鉆孔法和X 射線衍射法對(duì)HVOF 制備的WC-12Co 涂層表面和沿深度方向的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，鉆孔法測(cè)得的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力（180 ～107 MPa），而X 射線衍射法測(cè)得的為壓應(yīng)力（-220 ～-183 MPa）?？梢?jiàn)，不同研究方法獲得的殘余應(yīng)力值差異性相當(dāng)明顯。

此外，作為殘余應(yīng)力測(cè)試最常用的X 射線衍射技術(shù)，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，為簡(jiǎn)化測(cè)試，大多數(shù)研究工作只采集了主要相WC 的某單衍射峰的應(yīng)力用來(lái)代表涂層整體殘余應(yīng)力，忽略了涂層中其他相的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)多相復(fù)合材料的殘余應(yīng)力研究可知，復(fù)合材料的不同相之間以及同一相的不同晶面間，其殘余應(yīng)力性質(zhì)和大小有相當(dāng)大的差異，不能輕易忽略。這一點(diǎn)在熱噴涂WC-Co 系列涂層的部分報(bào)道中得到了證實(shí)。葉義海[12]對(duì)WC-Co 系涂層的表面殘余應(yīng)力研究中發(fā)現(xiàn)，涂層不同相（WC、W2C、Co6W6C）的殘余應(yīng)力性質(zhì)和大小不同。O.P.Oladijo[13]的研究工作發(fā)現(xiàn)，在基體、制備工藝和涂層成分等條件一致的情況下，采用X 射線衍射方法測(cè)試時(shí)，由于選擇的同一相的衍射峰不一樣，得到的殘余應(yīng)力差別也較大。

為正確認(rèn)識(shí)熱噴涂涂層內(nèi)部復(fù)雜殘余應(yīng)力本質(zhì)，需要采取可靠有力的測(cè)試手段，突破傳統(tǒng)測(cè)試方法的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)殘余應(yīng)力多區(qū)域、多尺度的更全面和深入的研究。

3 涂層在摩擦條件下的殘余應(yīng)力演變研究

除了受熱噴涂制備過(guò)程的影響，涂層的殘余應(yīng)力并不是一成不變的。在摩擦工作條件下，受外加摩擦熱-機(jī)械耦合作用，其表面和內(nèi)部殘余應(yīng)力狀態(tài)在服役過(guò)程中復(fù)雜多變[14]，嚴(yán)重影響著涂層工作性能和零部件壽命。為保障涂層應(yīng)用安全，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了熱噴涂涂層在摩擦磨損過(guò)程中的殘余應(yīng)力演變規(guī)律研究。蘇鵬等[15]在研究中發(fā)現(xiàn)，在熱疲勞接觸下，涂層各向殘余應(yīng)力呈動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)不一致，具有應(yīng)力奇異性。郭力等[16]研究了超音速火焰噴涂WC-Co 耐磨涂層在磨削條件下表面殘余應(yīng)力的變化情況，發(fā)現(xiàn)在未磨削和低速磨削時(shí)涂層表面為殘余壓應(yīng)力，而高速和超高速磨削時(shí)涂層表面轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力，并且拉應(yīng)力大小隨砂輪線速度的增大而增大，根據(jù)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理判定，磨削力、磨削溫度和材料相變使殘余應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變。李國(guó)祿等[17]對(duì)等離子噴涂NiCrBSi 耐磨涂層不同疲勞階段的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)隨著疲勞過(guò)程的進(jìn)行，殘余應(yīng)力的形式由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，而且處于不同疲勞階段，殘余應(yīng)力變化規(guī)律有明顯區(qū)別。O.P.Oladijo 等[13]分別對(duì)超音速火焰噴涂WC-17Co 和WC-12Co 耐磨涂層進(jìn)行了磨料磨損試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)摩擦后的涂層表面殘余壓應(yīng)力增加，為涂層表面性能帶來(lái)了有利影響。T.Teppernegg 等[18]研究了刀具涂層在工作壽命過(guò)程中的殘余應(yīng)力演變，經(jīng)X 射線衍射法進(jìn)行階段性檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在工作最初階段，刀具表面受壓應(yīng)力；長(zhǎng)時(shí)間服役后，表面殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)楦哌_(dá)1 000 MPa 的拉應(yīng)力；工作過(guò)程中的熱疲勞和摩擦損傷共同影響涂層表面殘余應(yīng)力。

上述研究大都只涉及涂層表面區(qū)域的殘余應(yīng)力在摩擦作用下的演變狀況，對(duì)于涂層內(nèi)部應(yīng)力狀況鮮有提及。雖然摩擦磨損過(guò)程一般發(fā)生在涂層表面，但涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力影響著涂層整體力學(xué)性能，最終影響著涂層整體的服役性能和使用壽命，其研究至關(guān)重要。

近年來(lái)，隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，部分國(guó)外學(xué)者開(kāi)始密切關(guān)注摩擦磨損條件下的涂層表面和內(nèi)部多區(qū)域殘余應(yīng)力演變狀況。BIBERGER J 等[14]采用X 射線衍射法和同步輻射技術(shù)，研究了活塞環(huán)硬鉻涂層表面及內(nèi)部沿層厚的殘余應(yīng)力在滑動(dòng)摩擦條件下的演變，結(jié)果顯示，涂層表面及內(nèi)部的殘余應(yīng)力受摩擦機(jī)械作用和熱作用影響顯著，在服役過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化，分布不均勻且復(fù)雜，并隨摩擦?xí)r間、速度、載荷等摩擦條件的變化而變化。但受限于涂層厚度對(duì)于測(cè)試技術(shù)的限制以及摩擦學(xué)行為的復(fù)雜性，目前關(guān)于熱噴涂耐磨涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力在摩擦服役過(guò)程中的演化研究依然較少，其演化影響機(jī)制尚不明確，亟需可靠數(shù)據(jù)積累。

4 殘余應(yīng)力對(duì)涂層摩擦磨損性能的影響

殘余應(yīng)力對(duì)涂層材料摩擦磨損性能的影響，一直是業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)，其研究對(duì)于有效調(diào)控涂層材料摩擦學(xué)性能具有重要意義。由于熱噴涂涂層微觀組織不均勻、殘余應(yīng)力復(fù)雜，要單獨(dú)建立殘余應(yīng)力與摩擦磨損的清晰關(guān)系，難度很大。目前關(guān)于殘余應(yīng)力對(duì)涂層-基體系統(tǒng)的摩擦磨損性能的理論研究不夠深入，大多只停留在“殘余拉應(yīng)力在一定程度上加速材料的磨損”“殘余壓應(yīng)力可減緩材料的磨損”等粗略的定性評(píng)價(jià)上[19-20]。

如何尋找可行、合適、關(guān)鍵性的切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力和摩擦磨損性能的有效聯(lián)系，成為研究學(xué)者們的新思路。大量研究表明[21-23]，殘余應(yīng)力影響裂紋行為，進(jìn)而影響材料斷裂力學(xué)性能。C.Mendibide 等[24]研究了TiN/CrN多層涂層的殘余應(yīng)力和摩擦磨損性能，通過(guò)比對(duì)在多層涂層中的裂紋擴(kuò)展路徑及殘余應(yīng)力分布曲線，定性分析了殘余應(yīng)力對(duì)摩擦學(xué)行為的影響。Arash Ghabchi 等[25]通過(guò)劃痕測(cè)試研究了WC-14(CoCr)涂層在摩擦條件下的微觀裂紋損傷（圖3），以及產(chǎn)生不同形式裂紋的臨界載荷，并結(jié)合曲率法測(cè)定的殘余應(yīng)力數(shù)值，指出涂層產(chǎn)生分層裂紋損傷的臨界載荷值隨涂層殘余應(yīng)力的增大而增大，由此推斷殘余應(yīng)力的存在提升了熱噴涂涂層內(nèi)扁平結(jié)構(gòu)的內(nèi)部凝聚力，提高了耐磨性。Holmberg.K 等[9]研究了幾種不同涂層（TiN、DLC 和MoS2）的殘余應(yīng)力及其摩擦斷裂行為，采用曲率法測(cè)試了涂層殘余應(yīng)力，通過(guò)劃痕測(cè)試和彎曲測(cè)試，將殘余應(yīng)力與裂紋行為相結(jié)合，借助有限元方法對(duì)劃痕測(cè)試中的涂層表面應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算，獲得了涂層斷裂韌性，研究結(jié)果表示較高的殘余壓應(yīng)力有利于提高涂層斷裂韌性。

根據(jù)已有研究報(bào)道[26]，熱噴涂耐磨涂層的主要磨損失效形式有局部顆粒脫落、層內(nèi)開(kāi)裂剝落、界面分層失效等，這些摩擦損傷形式都受材料不同區(qū)域的斷裂韌性影響。殘余應(yīng)力作為影響涂層性能的關(guān)鍵因素，其性質(zhì)、大小和分布對(duì)涂層本身、涂層-基體界面的斷裂力學(xué)行為等具有重要的影響，進(jìn)而影響材料的摩擦磨損性能。將殘余應(yīng)力引入對(duì)宏、微觀斷裂力學(xué)及不同摩擦損傷失效形式的研究中，有助于探究殘余應(yīng)力對(duì)摩擦磨損性能的影響關(guān)系，為材料制備和應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ)，是熱噴涂耐磨涂層的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用中必不可少的一部分。

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外尚缺乏對(duì)于熱噴涂耐磨涂層復(fù)雜殘余應(yīng)力的真實(shí)、全面認(rèn)識(shí)，關(guān)于涂層殘余應(yīng)力在摩擦磨損過(guò)程中的演變規(guī)律，及其與摩擦磨損性能的關(guān)系問(wèn)題的研究成果還比較有限，大多數(shù)都只是粗略的定性描述，并未揭示其更深層次的作用機(jī)制，難以有效指導(dǎo)熱噴涂耐磨涂層的研發(fā)和應(yīng)用。這對(duì)涂層殘余應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)以及相關(guān)理論的突破提出了要求。采用先進(jìn)技術(shù)手段，探究熱噴涂WC-Co 系涂層多區(qū)域（表面、內(nèi)部等）的殘余應(yīng)力大小、分布及其在摩擦條件下的演變規(guī)律，并從宏、微觀損傷和斷裂力學(xué)角度出發(fā)，進(jìn)一步探索殘余應(yīng)力對(duì)材料摩擦學(xué)行為的作用機(jī)理，將成為熱噴涂耐磨涂層未來(lái)重要發(fā)展方向。