等离子喷涂制备耐磨涂层研究进展

综述了国内外等离子喷涂制备传统耐磨涂层的研究情况,介绍了等离子喷涂制备纳米结构涂层和纳米掺杂微米结构涂层的研究新进展,介绍了纳米结构喂料的制备、纳米结构涂层的特殊性能及应用情况,同时还指出纳米结构涂层制备过程中存在的问题.最后,等离子喷涂今后的发展方向和应用前景进行了展望.     

反应等离子喷涂陶瓷涂层的研究

采用等离子喷枪与自行研制的反应室，通过喷涂Ti粉在反应室内实现Ti—N2反应，制备出TiN陶瓷涂层，并对该涂层的微观结构、涂层的力学与摩擦、磨损性能进行了分析和讨论。结果表明，反应等离子喷涂TiN涂层主要由TiN相以及少量Ti的氧化物组成，具有明显的硬度压痕尺寸效应。在无润滑高载荷条件下，反应等离子喷涂TiN涂层的耐磨性明显高于淬火M2钢，且涂层的减摩性远远优于M2钢。     

关节轴承喷涂MoS_2/石墨复合涂层摩擦学性能的研究

以Mo S2/石墨为固体润滑剂,无机磷酸盐为胶粘剂,利用喷涂方式在GE20ES型关节轴承表面制备不同配比的Mo S2/石墨复合涂层,考察了这些复合涂层在旋转摆动条件下的摩擦磨损性能。结果表明,不同配方的Mo S2/石墨复合涂层均显示了较好的减摩耐磨性能,其中当Mo S2与石墨的配比为3∶1时,Mo S2与石墨有较好的协同效果,复合涂层的摩擦学性能最好。     

大气等离子喷涂Cr_2O_3涂层的响应曲面法工艺优化

根据Box-Behnken二阶响应曲面法,设计了三因素三水平的回归分析试验;采用大气等离子喷涂技术在TC4钛合金表面制备了Cr2O3涂层,以不同工艺条件下的涂层显微硬度(H)作为响应值,建立了喷涂电流I、等离子气体流量QAr和喷距d与硬度响应输出之间的数学模型,讨论三种影响因子的显著性及其交互作用的影响,得到了涂层硬度的连续变量响应曲面和等高曲线,用于大气等离子喷涂Cr2O3涂层的工艺优化和性能预测。结果表明:涂层硬度的优化二次拟合曲线方程为H=17 330.35+10.15I-735.74QAr-47.57d+0.073I·d-0.014I2+7.8QAr2;最大硬度的预测参数为I=588.47 A,QAr=40.00 L·min-1,d=80.00 mm,此时能获得的硬度高达1 271.72 HV0.3,与实际测得的最大硬度1 284.7 HV0.3相当。     

等离子喷涂耐磨陶瓷涂层的组织研究

为了满足表面冶金强化零件的各项性能要求,本论文主要研究了等离子喷涂Al2O3-13wt%TiO2复合陶瓷涂层的微观组织结构以及涂层的硬度和摩擦磨损等性能。研究表明:Al2O3-13%TiO2涂层具有良好的致密度,结合强度相对较低;而硬度又较大;涂层中有硬质相或颗粒,虽然宏观硬度并不特别高,但具有很高的耐磨性。     

等离子喷涂纳米Al_2O_3-13%TiO_2陶瓷涂层的组织结构与抗冲蚀性能

采用等离子喷涂方法分别制备了常规和纳米Al2O3-13%TiO2陶瓷涂层,用扫描电子显微镜分析了涂层的显微结构,并对涂层进行了抗冲蚀试验。结果表明:常规陶瓷涂层具有典型的片层状结构,但纳米陶瓷涂层片层状结构并不十分明显,且涂层裂纹数量明显减少;纳米陶瓷涂层中的显微结构的变化改善了涂层的韧性和结合性能;在冲蚀过程中,常规陶瓷涂层表面剥落严重,而纳米陶瓷涂层的冲蚀质量损失较小,抗冲蚀性能比常规陶瓷涂层提高了30%左右。     

等离子喷涂陶瓷涂层在高温（450℃）下的摩擦磨损机理分析

本文用SEM观察分析了等离子喷涂陶瓷涂层（Metco136F,Metco80NS,Metco102,Metco105,Metco202NS,国产Al 2O 3）在高温无油和有油润滑下的摩擦磨损机理。发现陶瓷涂层仍会象金属摩擦副那样出现疲劳脱落、塑性形变、粘着撕裂。450℃时的干摩擦系数比有油润滑的摩擦系数高得多,且磨损表面形貌和磨损机理与有油润滑时大为不同。干磨擦是较易出现粘着磨损,而有润滑时则较难出现。     

等离子喷涂WC/Co Fe基涂层摩擦与磨损性能

以普通铸铁为基体,碳化钨陶瓷粉末WC 12Co为热喷涂材料,采用大气等离子法制备WC/Co Fe复合涂层.通过SEM、EDS、XRD等手段对WC/Co Fe涂层微观组织与结构进行表征,并对WC/Co Fe复合涂层耐磨损性能进行测试.结果表明,等离子喷涂制备的WC/Co Fe涂层物相以WC相为主;WC涂层摩擦因数波动小于铸铁材料摩擦因数,表明WC复合涂层具有良好的抗摩擦性能.WC涂层耐磨损性能高于铸铁,主要归因于WC颗粒韧性好、硬度高、抗冲击及抗磨损性能强,与基体金属的结合性好.     

等离子喷涂NiAl/Al2O3梯度陶瓷涂层的结构与组织特征

利用等离子喷涂方法制备了NiAl/Al2O3梯度陶瓷涂层,并对涂层的组织分布、相结构、硬度和孔隙率进行了研究.结果表明:梯度涂层的组织表现出宏观不均匀性和微观连续性的分布特征,是由α-Al2O3、γ-Al2O3、δ-Al2O3、Ni、NiO以及镍铝金属间化合物等多种相组成的复合材料;梯度涂层中NiAl合金层的孔隙最少,表面纯陶瓷层孔隙率最高;随着Al2O3含量的增加,涂层的硬度逐渐增大.     

NiCr-Cr_2O_3-BaF_2/CaF_2爆炸喷涂涂层干滑动摩擦磨损性能

在SRV高温摩擦磨损试验机上,考察了25℃和500℃时NiCr-Cr2O3-BaF2/CaF2爆炸喷涂复合涂层与Si3N4球配对时的干滑动摩擦磨损特性。采用FEIQUANTA-600型环境扫描电镜分析了涂层磨损表面形貌,探讨了该爆炸喷涂层的磨损机制。结果表明:500℃时在干滑动摩擦条件下,爆炸喷涂NiCr-Cr2O3-BaF2/CaF2复合涂层表面形成润滑转移膜,显示出优异的高温自润滑性能,与25℃时相比,500℃时涂层的摩擦因数降低了72.2%,磨痕宽度减少了46.6%;温度显著影响涂层的磨损机制,25℃下为黏着磨损,500℃下为严重塑性变形和轻微磨粒磨损。     

一种Al2O3基陶瓷刀具的切削性能研究

采用热压工艺制备了一种Al2O3／Ti（CN）陶瓷刀具材料,对其进行了切削性能试验,分析了其切削磨损机理并比较了三种陶瓷刀具的切削性能。试验结果表明,在切削淬硬45^#钢和铸铁时,Al2O3／Ti（CN）陶瓷刀具的耐磨性与Al2O3／TiC陶瓷刀具接近,但明显高于Al2O3／TiC／CaF2自润滑陶瓷刀具;Al2O3／Ti（CN）陶瓷刀具的后刀面磨损量随切削速度和背吃刀量的增加而增大。SEM分析发现,在切削淬硬45^#钢和铸铁时Al2O3／Ti（CN）陶瓷刀具后刀面主要磨损形式为磨粒磨损。     

超声辅助电火花粉末沉积WC-Ni金属陶瓷涂层的微观结构及摩擦学性能

针对传统电火花沉积工艺中工具电极预制成本高、工艺复杂、材料选择范围受限等问题,提出了一种超声辅助电火花粉末沉积（Ultrasonic-assisted electro-spark powder deposition,UEPD）的新方法。利用UEPD工艺成功地在316L不锈钢基材上制备了WC-Ni金属陶瓷涂层。所制备的WC-Ni金属陶瓷涂层的厚度为89~159 μm,表面粗糙度约为3.672 μm,并且与基材呈现良好的冶金结合。超声振动的引入能够有效改善涂层的成形质量。涂层的微观组织主要由亚微米级细小枝晶组成,主要物相包括FeNi、Cr₃Ni、WC、W₂C、Cr₂₃C₆和Cr₃C₂等。这些细小的晶粒和强化相使金属陶瓷涂层的硬度明显增加,平均硬度达到980.68 HV,约为基材的4.1倍。摩擦磨损性能测试表明,金属陶瓷涂层的磨损率相比基材和不含WC的Ni基合金涂层分别降低了50.7%和37.7%,并且还表现出明显低于二者的摩擦因数。WC-Ni金属陶瓷涂层的主要磨损机理为疲劳磨损和磨粒磨损,其中高硬度表面和具有颗粒流润滑效果的磨屑层是金属陶瓷涂层实现高耐磨、低摩擦的主要原因。UEPD工艺相比于传统的电火花沉积工艺省却了复杂的工具电极预制过程,其工艺更简单,成本更低廉、材料选择更广泛,并且所制备的涂层也表现出良好的成形质量和性能。这为电火花沉积技术的发展提供了一种新的思路。     

氧化铝颗粒增强铜基复合材料的摩擦磨损性能

利用粉末冶金法制备了Al_2O_3颗粒增强铜基复合材料,分析了Al_2O_3含量和转速对复合材料耐磨性能以及摩擦因数的影响。结果表明:复合材料的磨损量随Al_2O_3含量的增加先减小后增大,Al_2O_3体积分数为15%时耐磨性能最好;磨损量以及摩擦因数随着转速的增大先增大后减小,在400 r·min~(-1)时的磨损最严重,摩擦因数最大;磨损主要机制是粘着磨损和磨粒磨损。     

不同铁含量镍-铁合金镀层的摩擦磨损性能

采用电沉积方法在LY12CZ铝合金表面制备了不同铁含量的镍-铁合金镀层,研究了铁含量对合金镀层硬度和摩擦磨损性能的影响;并根据镀层的磨损形貌探讨了其磨损机理。结果表明:当铁含量低于12.63%(原子分数,下同)时,随着铁含量增加,镀层的硬度增加,摩擦因数减小,耐磨性能提高;当铁含量为由12.63%增至23.59%时,镀层的摩擦因数略有增加,硬度和耐磨性能有所降低;镍镀层的主要磨损机理为显微推碾,随着铁含量的增加,镍-铁合金镀层的磨损机理由显微推碾转变为显微切削。     

温度对火焰喷涂FEP涂层制备及摩擦学性能的影响

利用火焰喷涂在不同预热温度制备了FEP涂层，评价了环境温度对涂层摩擦学性能的影响，并对涂层进行了XRD、SEM等分析。结果表明：FEP涂层的最佳预热温度为270℃，此时涂层与基材的结合面上缺陷很少。FEP粉末和涂层中都含有无定形和结晶相，形成涂层后的结晶度有了明显的提高；环境温度在200℃以下时，涂层摩擦因数变化不大；200℃以后摩擦因数迅速增大，且涂层的磨损率随着环境温度的升高而增大；在较高的环境温度下，涂层的磨损呈现出明显的疲劳磨损特征。     

Y2O3改性石墨/CaF2/TiC/镍基合金复合涂层微观组织与摩擦学性能研究

为提高石墨/CaF₂/TiC/镍基合金（GCTN）复合涂层的力学性能和摩擦学性能,运用等离子喷涂技术在45钢表面制备了Y₂O₃改性GCTN复合涂层,研究了Y₂O₃对复合涂层的微观组织、显微硬度、断裂韧性和摩擦磨损性能的影响。结果表明：Y₂O₃改性GCTN复合涂层主要由γ-Ni、CrB、Cr7C₃、TiC、CaF₂和石墨等物相组成。Y₂O₃在等离子火焰加热作用下与C元素反应生成活性元素Y,Y净化了复合涂层的微观组织,并细化了CrB、Cr₃C7等硬质相晶粒,提高了其致密性。当Y₂O₃质量分数为0.5%时,复合涂层的显微硬度和断裂韧性分别为593.3MPa和6.82MPa·m^1/2,比不含Y₂O₃的复合涂层分别增大了8%和22%,其机理主要是Y₂O₃细化了CrB、Cr₃C₇等硬质相晶粒,起到了细化强化作用。由于GCTN-0.5Y₂O₃复合涂层的显微硬度和断裂韧性显著提高,减少了其黏着磨损和微观断裂磨损,因而GCTN-0.5Y₂O₃复合涂层的摩擦因数和磨损率最小,分别为0.085和0.39×10-3mm3/m。