316L鋼表面超音速火焰噴涂Fe基粉末涂層顯微結構及摩擦性能分析

張志輝，李 明

鄭州騰飛建設工程集團有限公司, 鄭州 450047

Fe基粉末屬于一種無序組織結構，不會形成晶界或位錯等存在于晶態(tài)組織中的缺陷，可以獲得優(yōu)異的力學性能與良好的化學穩(wěn)定性[1?2]。相對于其它各類金屬粉末，鐵基粉末同時具備高硬度、良好耐磨性以及低成本等優(yōu)異綜合性能，這使其成為一項應用潛力巨大的工程材料[3?4]。在高壓設備、稱重結構與高強度建筑材料領域都獲得了廣泛使用。但因為受到冷卻速率的限制，采用Fe基粉末制備得到塊體結構密實性不夠好，明顯制約了大規(guī)模工業(yè)化應用[5?6]。近些年來，已有許多科研工作者采用熱噴涂工藝制得了Fe基涂層，并將其推廣到了大尺寸工件加工領域[7?8]。

Koga等[9]對大尺寸非晶材料的顯微硬度、熱力學特性、耐磨性、塑韌性等方面進行了研究，結果表明可以通過改善Fe基粉末的塑韌性來獲得更優(yōu)的耐磨性。根據(jù)相關文獻報道可知，采用液氮循環(huán)技術處理Fe基粉末可以使其獲得更強的塑韌性，同時幾乎不會對顯微硬度造成影響[10]。以上研究結果表明，可以利用提高Fe基粉末塑韌性的方式來改善耐磨性?，F(xiàn)階段，基本都是通過調整噴涂工藝的方法來制備耐磨性更優(yōu)的非晶涂層，不過以上方法都不能實現(xiàn)對非晶涂層本質塑性的調整，從而限制了該涂層的耐磨性提升[11?13]。高涵等[14]對涂層制備技術進行優(yōu)化處理，制得了具有致密組織結構的Fe基非晶合金涂層，通過測試發(fā)現(xiàn)該涂層具備優(yōu)異的耐磨性。通過提高Fe基非晶合金涂層中的非晶組織比例與減小孔隙率，可獲得更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)并實現(xiàn)涂層耐磨能力的提升。韓建軍等[15]對鍋爐管實施超音速火焰噴涂處理，使受熱面生成Fe基非晶涂層，對該涂層組織結構進行測試發(fā)現(xiàn)，其孔隙率接近2.4%，同時達到HV 831.3的顯微硬度。本文經過液氮循環(huán)工藝獲得了塑韌性更優(yōu)的Fe基粉末，之后通過超音速火焰噴涂（high velocity oxy-fuel，HVOF）法對建筑用316L鋼基體表面造成高速撞擊生成Fe基粉末涂層，分析涂層摩擦學特性與液氮循環(huán)工藝之間的關系。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料及涂層制備

本實驗選擇粒徑尺寸約45 μm的Fe基粉末，各元素質量分數(shù)為Mo 17.0%、Cr 26.0%、C 2.4%、B 2.4%、其余為Fe。圖1給出了液氮循環(huán)處理工藝流程，先利用液氮對粉末進行2 min浸漬，之后取出并在室溫下進行風干，經過2 min保溫后重新加入液氮，按照上述方式循環(huán)處理50次。

圖1 液氮循環(huán)處理工藝流程Fig.1 Process flow of the liquid nitrogen cycle treatment

以建筑用316L不銹鋼作為測試基材，將其加工成?25 mm × 5 mm的扁圓形結構。通過砂紙對基體噴涂面實施打磨，獲得平整的表面組織，再利用丙酮對其實施超聲清洗，確保油污等雜質被全部去除。非晶涂層通過SX-5000型超音速火焰噴涂設備進行制備，采用氮氣進行送粉，表1給出了噴涂處理工藝參數(shù)。

表1 超音速火焰噴涂工藝參數(shù)Table 1 Technological parameters of the high velocity oxy-fuel

1.2 性能測試

以HV-1000維式硬度計對涂層的顯微硬度進行測試，設定載荷為5 N，持續(xù)保壓10 s，對各涂層試樣分別進行5次測試，之后計算得到平均顯微硬度。對涂層進行耐磨性測試，先對涂層實施打磨，再利用乙醇對其表面進行超聲清洗0.5 h，測試儀器為HT-1000銷-盤型摩擦測試機，以4 mm外徑的Si3N4球作為對磨材料，以10 N載荷進行0.2 m?s?1的滑動測試，持續(xù)測試1 h。利用MT-500探針型磨痕儀對試樣的表面磨損率進行測試，通過測試六次取均值方式獲得相關參數(shù)。

通過Image-ProPlus6.0軟件對涂層截面組織的孔隙率進行分析，各樣品分別選取5個位置計算孔隙率，之后再計算平均值。利用D/max-2400型X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）表征粉末試樣與涂層的晶體組織結構及其物相類型。采用JSM-6700F型掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察粉末試樣的微觀組織。

2 結果與討論

2.1 Fe基粉末和涂層顯微組織與形貌

圖2給出了液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末的顯微形貌。由圖可知，兩組粉末都屬于橢球形，沒有出現(xiàn)開裂或破碎的問題。圖3是液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備的涂層X射線衍射圖譜。由圖可知，2θ在35°和55°之間均為典型的非晶寬化漫散射峰，說明液氮循環(huán)處理前后涂層均為非晶態(tài)組織。

圖2 液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末顯微形貌：（a）液氮循環(huán)處理前；（b）液氮循環(huán)處理后Fig.2 SEM images of the Fe-based powders before and after the liquid nitrogen cycling treatment: (a) before the liquid nitrogen cycle treatment; (b) after liquid nitrogen cycling treatment

圖3 液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的X射線衍射譜圖Fig.3 XRD patterns of the Fe-based powder coatings prepared by HVOF before and after the liquid nitrogen cycling treatment

圖4為液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的表面和截面微觀組織形貌。通過對比發(fā)現(xiàn)，采用未處理粉末制得的涂層表面與內部形成了大量未完全鋪展的顆粒，涂層中含有尺寸較大的孔隙，實際孔隙率達到1.2%；經過液氮循環(huán)處理的粉末涂層組織中只存在少量的未鋪展顆粒，孔隙率也發(fā)生了明顯減小，只有0.5%，形成了更致密的組織。上述結果表明，液氮循環(huán)處理對涂層的組織形態(tài)具有顯著影響。Fe基粉末屬于一種長程有序的均勻組織，在從液態(tài)轉變?yōu)榉蔷Х圻^程中，內部組織會發(fā)生異質現(xiàn)象，導致Fe基粉末產生部分不均勻的短程結構，由此提高了Fe基粉末的交錯能力，受到壓應力時，合金組織中產生了更多的 剪切帶，表現(xiàn)出更大的壓縮塑性。以上結果表明，可以采用液氮循環(huán)的方法來改善粉末塑性，使粉末以更好的鋪展狀態(tài)完成沉積過程。

圖4 液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的表面和截面顯微形貌：（a）液氮循環(huán)處理前涂層表面； （b）液氮循環(huán)處理前涂層截面；（c）液氮循環(huán)處理后涂層表面；（d）液氮循環(huán)處理后涂層截面Fig.4 SEM images of the Fe-based powder coating surface and cross section prepared by HVOF before and after the liquid nitrogen cycling treatment: (a) coating surface before the liquid nitrogen cycling treatment; (b) coating cross section before the liquid nitrogen cycling treatment; (c) coating surface after the liquid nitrogen cycling treatment; (d) coating cross section after the liquid nitrogen cycling treatment

2.2 涂層摩擦磨損性能

兩種粉末涂層在摩擦過程中經過很短的跑合階段，很快形成一個穩(wěn)定的磨損過程，圖5和圖6給出了液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的摩擦系數(shù)分布以及磨痕形貌，表2給出了液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的磨損參數(shù)。由圖可知，經過超音速火焰噴涂工藝制得的Fe基涂層獲得了穩(wěn)定的摩擦磨損性能。通過對比發(fā)現(xiàn)，經過液氮循環(huán)處理的粉末涂層有更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，同時摩擦系數(shù)明顯減小。由于采用未處理粉末制得的涂層內形成了大量孔隙并存在許多沒有鋪展的顆粒，無法獲得均勻硬度的組織，導致摩擦系數(shù)明顯增大。

圖5 液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的摩擦系數(shù)分布Fig.5 Friction coefficient distribution of the Fe-based powder coatings prepared by HVOF before and after the liquid nitrogen cycling treatment

圖6 液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的磨痕形貌：（a）液氮循環(huán)處理前；（b）液氮循環(huán)處理后Fig.6 Wear trace images of the Fe-based powder coatings prepared by HVOF before and after the liquid nitrogen cycling treatment:(a) before the liquid nitrogen cycle treatment; (b) after the liquid nitrogen cycling treatment

表2 液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的磨損參數(shù)Table 2 Wear parameters of the Fe-based powder coatings prepared by HVOF before and after the liquid nitrogen cycling treatment

對表2進行分析可知，經過液氮循環(huán)處理后的粉末涂層表現(xiàn)出更低的磨痕深度與磨損率，由此可以推斷，經過液氮循環(huán)處理的粉末涂層可以獲得更穩(wěn)定的摩擦學性能。對Fe基粉末實施液氮循環(huán)處理可以獲得更高的塑性，有助于粉末在沉積階段形成更充分的鋪展狀態(tài)，生成更均勻的涂層組織并顯著提高相對密度。利用超音速火焰噴涂技術還可以保留少量原始組織，使涂層內依然含有非均勻結構的軟點，提高了涂層的硬度均勻性，從而表現(xiàn)出更平穩(wěn)的摩擦學性能。

通過掃描電鏡觀察液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的磨痕表面及對應的磨屑顯微形貌，結果如圖7所示。從圖7（a）中可以發(fā)現(xiàn)，采用未處理粉末制備的涂層形成了含有許多剝落坑的磨痕，在剝落坑內還存在一些細小的顆粒物，同時在邊緣區(qū)域發(fā)生脆性斷裂。對磨屑進行微觀形貌表征發(fā)現(xiàn)存在許多大尺寸薄片與部分小尺寸顆粒，其中片層磨屑的尺寸較大，接近50 μm，這與磨痕區(qū)域的剝落坑尺寸較為接近。圖7（b）是經過液氮循環(huán)處理的涂層磨痕微觀形貌表征。由圖可知，涂層磨痕上產生少量剝落坑，發(fā)生了明顯塑性變形。經過液氮循環(huán)處理的粉末涂層形成了更致密的組織，同時孔隙與裂紋數(shù)量也明顯降低，從而減小了疲勞裂紋的產生幾率，因此涂層很少發(fā)生疲勞分層磨損破壞。根據(jù)觀察到的磨痕塑性變形以及經能譜分析得到的高氧含量可以判斷，涂層主要發(fā)生了氧化磨損與塑性變形。比較兩種粉末制得的涂層在摩擦測試階段形成的磨痕和磨屑微觀形貌特征可知，未處理粉末涂層主要表現(xiàn)為疲勞分層磨損，同時發(fā)生了部分氧化磨損，涂層內的孔隙與微裂紋會在摩擦期間逐漸往低聚強度的區(qū)域拓展，到達臨界斷裂尺寸時開始出現(xiàn)整片脆性剝落的情況，產生了大片的剝落坑。

圖7 液氮循環(huán)處理前后Fe基粉末超音速火焰噴涂制備涂層的磨痕及對應的磨屑顯微形貌：（a）液氮循環(huán)處理前磨痕； （b）液氮循環(huán)處理前磨屑；（c）液氮循環(huán)處理后磨痕；（d）液氮循環(huán)處理后磨屑Fig.7 Wear marks and the corresponding abrasive debris of the Fe-based powder coatings prepared by HVOF before and after the liquid nitrogen cycling treatment: (a) wear marks before the liquid nitrogen cycling treatment; (b) abrasive debris before the liquid nitrogen cycling treatment; (c) wear marks after the liquid nitrogen cycling treatment; (d) abrasive debris after the liquid nitrogen cycling treatment

3 結論

（1）經過液氮循環(huán)處理的粉末和未處理原始粉末的物相結構相同，都屬于非晶態(tài)，兩組粉末形貌都屬于橢球形，沒有發(fā)生開裂或破碎等問題。

（2）經過液氮循環(huán)處理的粉末涂層組織中只存在少量的未鋪展顆粒，孔隙率明顯減小，形成了更致密組織，使粉末以更好的鋪展狀態(tài)完成沉積過程。

（3）經過液氮循環(huán)處理的粉末涂層可以獲得更穩(wěn)定的摩擦學性能，形成更致密的組織，孔隙與裂紋數(shù)量也明顯降低，主要發(fā)生氧化磨損。