等離子噴涂氮化硼納米片增強(qiáng)Ni3Al復(fù)合涂層的摩擦學(xué)性能

婁旭耀， 周 波， 宋 英， 陸小龍

(1. 河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院， 河南 鄭州 450016；2. 常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 常熟 215500；3. 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215137)

航空航天、石油化工、海洋船舶等重大裝備中存在大量關(guān)鍵運(yùn)動副零部件，其在重載、強(qiáng)沖刷等服役環(huán)境中常因快速磨損而失效，嚴(yán)重降低裝備的服役壽命[1-2]。為此，在上述零部件表面制備具有優(yōu)異耐磨性能的防護(hù)涂層，是提升零部件性能和服役壽命的有效方法之一[3-6]。

Ni3Al金屬間化合物為有序的面心立方L12結(jié)構(gòu)(其有序/無序轉(zhuǎn)變溫度在熔點(diǎn)附近)，其熔點(diǎn)為1395 ℃，具有良好的抗高溫疲勞和抗高溫氧化性能，特別是具有反常的屈服強(qiáng)度-溫度關(guān)系(屈服強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能隨溫度的升高不降反升，且在700～900 ℃溫度范圍達(dá)到屈服強(qiáng)度峰值)[7-9]。因此，Ni3Al金屬間化合物是一種極具潛力的高溫耐磨涂層候選材料[10-11]。但是，Ni3Al材料較差的加工性能，很大程度上限制了其作為涂層材料的工程應(yīng)用[12-14]。

氮化硼納米片(Boron nitride nanoplatelet, BNNP)是由單層的硼原子和氮原子以sp2雜化軌道組成的呈蜂巢結(jié)構(gòu)的二維層狀納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能(彈性模量700～900 GPa、屈服強(qiáng)度～35 GPa)、大比表面積、低的密度(2.1 g/cm3)以及自潤滑性能[15-17]。更為重要的是，相比于石墨烯較低的氧化溫度(～450 ℃)，BNNP在～950 ℃高溫環(huán)境中可保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這為其在等離子噴涂高溫制備過程中保持其結(jié)構(gòu)完整性提供了保障[15]。可見，六方BN納米片優(yōu)異的力學(xué)性能及良好的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，無疑是高溫結(jié)構(gòu)材料中更為理想的納米增強(qiáng)相和自潤滑相。因此，BNNP有望成為Ni3Al涂層中極具潛力的增強(qiáng)相和自潤滑相。然而，國內(nèi)外目前對BNNP增強(qiáng)復(fù)合涂層的研究尚處于起步階段。

本文通過噴霧造粒制備球形Ni-Al和BNNP/Ni-Al團(tuán)聚顆粒，并采用等離子噴涂技術(shù)制備Ni3Al和BNNP增強(qiáng)Ni3Al復(fù)合涂層，研究添加BNNP對涂層的顯微硬度和摩擦磨損性能的影響。結(jié)合涂層磨損表面、磨屑和對磨球的磨損形貌，進(jìn)一步分析了BNNP/Ni3Al復(fù)合涂層的磨損機(jī)理。

1 試驗材料與方法

1.1 噴涂喂料和涂層制備

首先將鎳粉和鋁粉按照85∶15(質(zhì)量比)球磨后得到Ni-Al混合粉末，將氮化硼納米片(BNNP)放入異丙醇溶液中超聲分散。隨后，把Ni-Al混合粉末和BNNP分散液用均質(zhì)機(jī)攪拌混合后得到BNNP/Ni-Al混合粉末，其中BNNP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。采用噴霧干燥技術(shù)，獲得等離子噴涂用BNNP/Ni-Al球形團(tuán)聚顆粒。

將Ti6Al4V合金基體表面進(jìn)行噴砂處理，然后用無水乙醇清洗并吹干。采用配有SG-100噴槍的3710M等離子噴涂系統(tǒng)在Ti6Al4V合金基體表面制備BNNP/Ni3Al復(fù)合涂層(NA-BNNP涂層)，同時制備出Ni3Al涂層(NA涂層)作為對比試樣。等離子噴涂參數(shù)：電流800 A、電壓40 V、主氣Ar氣流量35 slpm、輔氣He氣流量35 slpm、載氣Ar氣流量7 slpm和噴涂距離80 mm。

1.2 涂層顯微組織及性能表征

采用Siemens D5000型X射線衍射儀器對涂層表面進(jìn)行物相分析，利用JEOL JSM-6330F掃描電鏡對涂層的橫截面和斷面進(jìn)行顯微組織觀察。采用HXD-1000TMC顯微硬度計測試涂層的橫截面硬度，載荷砝碼為200 g，保載時間為10 s。選擇HT-1000球盤式干滑動摩擦磨損試驗機(jī)對NA和NA-BNNP涂層表面進(jìn)行摩擦性能測試，測試前用400目砂紙打磨涂層表面，隨后用無水乙醇清洗并吹干，試驗條件：對磨件為A2O3球(直徑φ4 mm)，精度為G20，載荷20 N，轉(zhuǎn)速1200 r/min，磨痕半徑2 mm，線速度15.1 m/min，滑動行程151 m。為確保試驗精確，每個試樣至少測3次。試驗結(jié)束后，用導(dǎo)電膠收集磨屑，在掃描電鏡下觀察涂層和對磨球磨損表面及磨屑形貌。采用儀器自帶表面輪廓儀測量涂層表面磨痕，并根據(jù)公式(1)計算涂層的磨損率，即：

W=V/(LS)

(1)

式(1)中：W為磨損率；V為磨損體積；L為作用載荷；S為滑動行程。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 涂層物相和顯微組織分析

NA和NA-BNNP涂層的XRD結(jié)果如圖1所示。可以看出，涂層主要物相為Ni3Al和少量的氧化物Al2O3。這主要是由于原始的噴涂喂料經(jīng)過等離子焰流后形成熔滴，熔滴內(nèi)的Ni與Al可以在高溫下發(fā)生原位反應(yīng)形成Ni3Al[18-19]，同時，涂層中少量的Al會發(fā)生氧化產(chǎn)生Al2O3。此外，在NA-BNNP涂層上觀察到BNNP的(0002)晶面的衍射峰，說明BNNP經(jīng)過高溫等離子焰流后仍然可以保留下來。

圖2是NA和NA-BNNP涂層的橫截面SEM圖，可見涂層具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)特征，且涂層內(nèi)主要由灰色和少量條狀黑色物相組成。對比NA涂層，添加BNNP的復(fù)合涂層的橫截面上黑色的條狀物相明顯減少。對NA涂層的橫截面進(jìn)行EDS分析，發(fā)現(xiàn)灰色物相Ni、Al、O的原子分?jǐn)?shù)分別為78%、18%和4%，黑色物相Ni、Al、O的原子分?jǐn)?shù)分別為9%、56%和35%。結(jié)合XRD分析結(jié)果，有理由認(rèn)為灰色物相主要是原位反應(yīng)合成的Ni3Al，而黑色條狀物相為Al2O3。由于BNNP大的比表面積和優(yōu)異的高溫抗氧化性能，在等離子噴涂過程中，均勻分散在熔滴內(nèi)的BNNP可阻礙氧原子的擴(kuò)散，抑制Ni和Al發(fā)生氧化，使得NA-BNNP復(fù)合涂層內(nèi)黑色條狀相(氧化物含量)明顯下降[20]。

圖2 NA涂層(a)和NA-BNNP(b)涂層橫截面SEM圖

圖3為NA-BNNP涂層斷面的SEM圖。在等離子噴涂過程中，等離子噴涂喂料經(jīng)過等離子焰流的加熱形成熔融或半熔融狀態(tài)的液滴，同時液滴高速撞擊到基體表面，隨后熔融或半熔融狀態(tài)的液滴在沖擊力的作用下，在基體表面迅速鋪展并快速凝固形成扁平粒子。隨著這些扁平粒子的不斷堆垛，扁平粒子與基體表面以及扁平粒子與扁平粒子之間就會相互交錯地粘結(jié)在一起而形成具有明顯層狀結(jié)構(gòu)的涂層，如圖3(a)所示。同時，圖3(a)局部區(qū)域的高倍SEM照片表明，BNNP分布在涂層內(nèi)，如圖3(b)所示。這主要得益于等離子噴涂喂料制備過程中BNNP分散液的攪拌及噴霧干燥，可以使得BNNP能夠較好地分布在噴涂喂料內(nèi)[15]。進(jìn)而，在等離子噴涂過程中可均勻地分布在熔滴中，并保留于快速凝固形成的扁平粒子表面及內(nèi)部。值得注意的是，顯微硬度測試結(jié)果表明，相比于NA涂層硬度(325±28) HV0.2，NA-BNNP涂層的顯微硬度為(384±43) HV0.2，提升了～18%。上述結(jié)果充分說明，BNNP優(yōu)異的力學(xué)性能及其大比表面積的二維層狀結(jié)構(gòu)特征，可使復(fù)合材料涂層獲得有效的強(qiáng)化。

2.2 涂層摩擦學(xué)性能分析

圖4是NA和NA-BNNP涂層的摩擦因數(shù)隨滑動距離變化的曲線及磨損表面輪廓形貌。對比NA涂層的摩擦因數(shù)為0.38±0.03，復(fù)合材料涂層的摩擦因數(shù)降低至 0.34±0.02，如圖4(a)所示，這主要緣于BNNP本身優(yōu)異的自潤滑性能。兩種涂層磨損表面輪廓測試結(jié)果表明，復(fù)合材料涂層磨痕深度和寬度明顯減小，如圖4(b)所示。NA涂層的磨損速率約為(23.2±0.9)×10-5mm3/(m·N)，NA-BNNP復(fù)合材料涂層的磨損速率降低至(9.4±1.7)×10-5mm3/(m·N)。上述結(jié)果充分表明，BNNP的加入，不僅可使復(fù)合材料涂層的耐磨性能顯著提升(提高了約1.5倍)，還可在一定程度上降低其摩擦因數(shù)，賦予復(fù)合材料涂層良好的減摩耐磨性能。

圖4 涂層的摩擦因數(shù)(a)和磨損表面輪廓(b)

2.3 磨損機(jī)理分析

觀察NA涂層的磨損形貌，發(fā)現(xiàn)其表面具有明顯的剝落坑和輕微的顯微犁溝，如圖5(a)所示。從圖5(c)中觀察發(fā)現(xiàn)，NA涂層的磨屑主要為片狀和粉末狀磨屑。此外，NA涂層的Al2O3對磨球具有粗糙的磨損表面，如圖5(e)所示。在滑動摩擦磨損過程中循環(huán)應(yīng)力作用下，Ni3Al涂層因其室溫脆性，使其涂層表層和亞表層極易萌生顯微裂紋，進(jìn)而涂層磨損表面發(fā)生脆性斷裂并脫落，形成片狀磨屑及剝落坑。并且，這些片狀磨屑在涂層和對磨球之間反復(fù)承受碾壓，并斷裂形成一些粉末狀的磨屑，使得涂層進(jìn)一步發(fā)生三體磨粒磨損，對磨損表面進(jìn)行顯微犁削，形成輕微的犁溝。可見，NA涂層的主要磨損機(jī)理是脆性斷裂和三體磨粒磨損。

圖5 NA(a,c,e)和NA-BNNP(b,d,f)涂層摩擦磨損形貌

相反，NA-BNNP涂層磨損表面顯得更為平整，且剝落坑數(shù)量明顯減少，如圖5(b)所示。并且，復(fù)合材料涂層的磨屑則主要以粉末狀，如圖5(d)所示。上述磨損表面特征表明，復(fù)合材料涂層得到磨損機(jī)制主要為輕微的磨粒磨損。復(fù)合材料涂層加入BNNP，不僅可有效抑制微裂紋的萌生及擴(kuò)展，而且復(fù)合材料顯微硬度的提升，還可顯著抵抗對磨材料表面硬質(zhì)微凸體的顯微切削。此外，對比兩種涂層對磨材料的磨損形貌，如圖5(e, f)所示，可以發(fā)現(xiàn)與NA-BNNP涂層配對的Al2O3對磨球表面的損傷明顯降低。

滑動摩擦磨損過程中，分布于涂層表層和亞表層的二維片狀納米材料BNNP極易在切應(yīng)力作用下發(fā)生機(jī)械剝離并轉(zhuǎn)移至磨損表面，如圖6(a)所示。并且，發(fā)現(xiàn)有些位于磨損表面的BNNP端部發(fā)生卷曲，且其下的涂層磨損形貌隱約可見，如圖6(b)所示。這些轉(zhuǎn)移至磨損表面的BN納米片，不僅可憑借其優(yōu)異的自潤滑性能降低涂層的摩擦因數(shù)，更為重要的是，具有優(yōu)異力學(xué)性能(高強(qiáng)度)的BNNP還可充當(dāng)對磨球和涂層之間的保護(hù)膜，避免兩者的直接接觸、進(jìn)而有效抑制材料在接觸應(yīng)力下的損傷。因此，復(fù)合材料涂層磨損表面BN轉(zhuǎn)移膜的形成，也是其摩擦磨損性能得以顯著改善的重要因素。

圖6 NA-BNNP涂層磨損表面SEM圖

3 結(jié)論

1) 采用等離子噴涂技術(shù)在鈦合金表面成功制備出Ni3Al涂層和BNNP/Ni3Al復(fù)合涂層，涂層物相主要為原位生成的Ni3Al和少量Al2O3。

2) 添加BNNP可以提高涂層的顯微硬度、減摩耐磨性能和減輕對磨球的磨損。Ni3Al涂層的主要磨損機(jī)理是脆性斷裂和三體磨粒磨損，BNNP增強(qiáng)Ni3Al復(fù)合涂層的主要磨損機(jī)理是和輕微的磨粒磨損，BNNP潤滑轉(zhuǎn)移膜的形成有益于抑制對磨偶件的接觸損傷。