发动机活塞用ZL109铝合金表面等离子喷涂镍基合金涂层的耐磨性能

     基体材料选用铸态ZL109铝合金， 涂层原料粉选用 Ni60CuMo 合金粉末，平均粒径约为95μm，微观形貌如图1所 示,可知颗粒的形貌近似球形。对基体进行超声清 洗，再进行喷砂处理后，采用 等离子喷涂设备在其表面制备 Ni60CuMo合金涂层，以氩气作为主要保护气体，氢 气作为次要保护气体，基于前期工作得到等离子喷 涂工艺参数进行探究。

     采用扫描电子显微镜 (SEM)观察涂层的表面和截面微观形貌，并用SEM 附带能谱仪(EDS)进行微区成分分析。利用 单晶X射线衍射仪(XRD)对粉体与涂层 的物相组成进行分析。 采用数显显 微硬度仪测涂层的截面显微硬度分布。 在800倍放大倍数下随机选取5张涂 层SEM截面图像，并对涂层截面孔隙进行灰度处 理，用ImageJ2x图像处理软件计算孔隙率。在涂 层试样上截取尺寸为20mm×10mm×5mm的磨 损试样，经400 ^# 、600 ^# 、800 ^# 、1000 ^# 的碳化硅砂纸 依次打磨处理，并用酒精超声清洗后，选用 高温摩擦磨损试验机对涂层进行圆环式滑动 磨损试验，接触形式为点接触，对磨件为直径5mm 的GCr15钢球，磨损载荷为50N，转速为200 r· min ^-1 ，磨损时间为20min，磨损半径为1.5mm；由 于活塞服役于高温、贫/富油状态下，最高服役温度 在326~426℃间，因此选用温度区间内的375℃， 室温(25℃)及苛刻服役温度450℃作为涂层磨损 试验温度,具体润滑条件和试验温度如表1所示，润 滑油选用汽油机油，相同试验条件下 进行2次平行试验，使用电子天平 对磨损前后试样的质量进行称量，计算磨损质量损 失。选用三维形貌仪对磨损后试样表面 三维形貌进行观察，并采用扫描电镜观察磨损形貌。

表1 磨损试验的润滑条件和试验温度

2.1 微观形貌与物相组成

     由图2可知：所制备涂层表面熔滴铺展状况良 好，熔融粒子撞击至基体表面后经堆垛、铺展后以放 射形式、破碎形式凝固，部分熔滴包裹着未熔颗粒， 而这些未熔颗粒表面熔滴的冷却凝固使颗粒间相互 结合从而形成典型层状结构的涂层；由于部分未熔 颗粒堆叠，后续的熔融粒子未能完全润湿填充这些 不规则区域，从而在涂层内部形成孔隙。基体 与涂层界面处结合较致密，涂层厚度约为300μm， 高倍下观察发现涂层内部由2种颜色(深灰色、浅灰 色)区域交替重叠构成，经EDS分析发现深灰色区 域为富铬区，浅灰色区域为富镍区。由EDS分析发 现涂层截面无明显的元素扩散现象，因此涂层与基 体间的结合方式为机械结合；同时选区中未检测出 氧元素，说明在熔滴飞行过程中未出现氧化现象，工 作气体对熔滴起到了良好的保护作用。涂层保留了 原料粉末的物相组成，均主要由γ-(Ni,Cr,Fe,Cu) 固溶体、FeNi ₃ 、Cr ₇ C ₃ 、Cr ₂₃ C ₆ 、Mo ₂ C、MoSi ₂ 、Fe ₂ Mo 等组成。

     图3为涂层截面孔隙形貌及对应的灰度图， 统计得到涂层的平均孔隙率为2.48%。涂层中孔 隙形态多样，除了分布广泛的独立闭合微孔外，还 有少量由多个微孔交互连通的通孔。由于喷涂时

熔滴包裹未熔颗粒周围，其堆积和搭接具有随机 性，因此涂层中极易出现因填充不充分而形成的 孔隙聚集现象。

2.2 硬度分布

     由图4可知，涂层截面显微硬度呈小范围波动， 其中最高硬度可达874HV，最低硬度为735HV， 平均硬度为792.91HV，基体的平均硬度约为 123HV，涂层的硬度为基体的6倍以上。在涂层中 分富镍区与富铬区，富铬区分布不均匀，硬度测试时 压痕的随机性使得显微硬度出现波动。在施加载荷 初期，压痕处孔隙等微缺陷处产生应力集中而出现 裂纹，在压应力作用下压痕长度增加，因此硬度较 小。涂层的孔隙等微缺陷主要集中在涂层中间部 分，因此中间部分的硬度较低。在粒子撞击的夯实 作用下涂层近表层处的加工硬化效果增强，因此显 微硬度较高。

2.3 摩擦磨损性能

     由图5可知：在不同润滑条件下涂层在试验前期 0~150s时间内的摩擦因数急剧增加并随之在短时 间内达到平稳状态，而后又出现波动现象，其中干摩 擦条件下涂层的摩擦因数较大，且波动较大，这是因 为此时涂层与对磨件间无润滑液和保护膜，表面直接 接触，磨损剧烈。随着试验温度由25℃升高至 450℃，涂层的平均摩擦因数降低。油润滑条件下涂 层的摩擦因数更加平稳，平均摩擦因数偏低，并且摩 擦因数达到平稳阶段所需时间较短，短于100s，说明 润滑油在涂层与对磨件之间形成的油膜起到了减摩 耐磨的效果；油膜使涂层与对磨件表面分离，发生流 体润滑，在压力作用下，部分润滑油进入涂层孔隙中 起到了储油作用，为摩擦表面持续提供油膜所需的润 滑油，使表面油膜不易破损；450℃时涂层的平均 摩擦因数最低，表现出优异的减摩效果。

     由图6可以看出：涂层的磨损质量损失随试验 温度的升高和油润滑条件的施加而减小，而基体的 磨损质量损失随试验温度升高而增大，但施加润滑 油后磨损质量损失略微减小，对比发现施加润滑油 后涂层耐磨性提升的程度比基体显著；相同试验温 度和润滑条件下涂层的磨损质量损失明显低于基 体，在450℃油润滑条件下涂层的磨损质量损失仅 为7.35mg，为基体的1/4左右，说明涂层具有优异 的耐磨性能。

     由图7可以发现，在450℃油润滑条 件下涂层磨痕的最大峰高为46.9μm，基体磨痕的 最大峰高为155.7μm，涂层磨痕很浅，进一步说明 涂层在高温下具有优异的耐磨性能。

      由图8可知，在25℃干摩擦条件下涂层表面磨 损严重，涂层剥落痕迹明显，并且因涂层内硬质相分 布不均匀造成其表面磨痕较粗糙。当干摩擦条件下 的试验温度升至375℃时，对表面磨损产生的零星 分布的深灰色区域进行EDS分析后，发现该区域主 要为铁的氧化物，由于涂层中铁含量较少，而经磨损 后表面铁元素含量显著增加，说明磨损过程中涂层 表面与对磨件出现了材料转移，随磨损时间延长，转 移的材料逐渐积聚而形成含铁氧化物转移层；虽然 该转移层能够在一定程度上缓解涂层的磨损，但由 于氧化物在硬度高的同时，其脆性也较大，在高温下 的相对切向运动中易使涂层发生断裂，转移层也会 出现剪切断裂，从而在涂层磨损表面出现氧化物 剥落的痕迹以及因切向应力作用而形成的垂直于摩 擦方向的微裂纹。随着干摩擦条件下的试验温度升 高至450℃，磨损表面转移层面积较大，垂直于滑动 方向的裂纹宽度减小，因转移层的磨损而在涂层表 面形成碎屑。氧化物转移层的形成说明在高温干摩 擦下涂层表现出黏着磨损与氧化磨损的复合特征。

     在油润滑条件下涂层表面的磨损程度较轻，在 25℃和375℃下磨损表面出现犁沟、划痕以及剥落 颗粒损伤痕迹，在对磨件剪切应力循环作用下颗粒 剥落，并在润滑油的包裹下以及对磨件施加的正应 力作用下，对涂层表面进行研磨，起到了磨料的作 用；375℃下磨损表面还出现了橘皮状氧化物碎 片，这是由于在喷涂过程中部分熔滴动能不足而撞 击基体不充分，层间内聚力较差，在磨损中易发生片 层状剥落，但对磨件部分正应力发挥的“夯实”效应 使橘皮状氧化物碎片未彻底剥离于涂层表面。因 此，在油润滑条件下25℃时涂层的磨损机制为磨粒 磨损，而375℃下的磨损机制为磨粒磨损及黏着磨 损。450℃时涂层磨损表面更加平整，没有明显的 犁沟、划痕等磨粒磨损的痕迹，磨损程度最轻，此时 涂层的磨损机制以黏着磨损为主。

     (1) 采用等离子喷涂技术在ZL109铝合金表面 制备的Ni60CuMo合金涂层由富铬区和富镍区交替 重叠构成，与基体间无明显的元素扩散现象，涂层与 基体间的结合方式为机械结合；涂层的物相组成与 Ni60CuMo合金粉末相同，主要由γ-(Ni,Cr,Fe,Cu) 固溶体、FeNi ₃ 、Cr ₇ C ₃ 、Cr ₂₃ C ₆ 、Mo ₂ C、MoSi ₂ 、Fe ₂ Mo等 组成；涂层结构致密，孔隙率为2.48%；涂层的平均显 微硬度为792.91HV，为铝合金基体的6倍以上。

     (2) 与干摩擦条件相比，油润滑条件下涂层具 备更平稳的摩擦因数以及更低的磨损质量损失，且 随试验温度的升高，摩擦因数和磨损质量损失均降 低，耐磨性能更好；450℃油润滑条件下涂层的平均 摩擦因数为0.037，磨损质量损失为7.35mg，仅为 基体的1/4左右，涂层具有优异的耐磨性能。

     (3) 干摩擦条件下25℃磨损时涂层出现剥落 失效，375，450℃磨损时涂层磨损机制为氧化磨损 与黏着磨损；油润滑条件下25℃磨损时涂层主要发 生磨粒磨损，375℃磨损时的磨损机制为磨粒磨损 及黏着磨损，450℃时涂层磨损表面平整，磨损机制 以黏着磨损为主。