洪督, 牛亞然, 李紅, 鐘鑫, 鄭學(xué)斌

等離子噴涂TiC-Graphite復(fù)合涂層摩擦磨損性能

洪督1,2, 牛亞然1, 李紅2, 鐘鑫1, 鄭學(xué)斌1

(1. 中國科學(xué)院 上海硅酸鹽研究所, 上海 200050; 2. 上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200072)

等離子噴涂TiC涂層具有良好的綜合性能, 在極端環(huán)境能起到較好的耐磨保護作用, 而石墨是一種優(yōu)異的自潤滑材料。通過噴霧干燥與真空燒結(jié)技術(shù)制備不同石墨添加量(1.25%、2.5%、5%和10%, 質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TiC-Graphite球形粉體, 并采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備TiC-Graphite復(fù)合涂層。對涂層的相組成、顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行了表征, 并對涂層的摩擦磨損性能進行了比較研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn), TiC-Graphite涂層主要由TiC和石墨相組成。隨石墨添加量增大, TiC-Graphite涂層截面微裂紋增多, 表面粗糙度增大, 硬度下降。石墨對TiC涂層在高載荷的磨損性能影響更顯著。在50 N高載荷條件, 隨石墨添加量增大, TiC-Graphite涂層磨損率降低后急劇增大, 而摩擦系數(shù)持續(xù)減小。當(dāng)石墨添加量為2.5%時, 涂層獲得最低的磨損率為0.67×10?5mm3/(N·m), 同時具有較低的摩擦系數(shù)(0.35), 與不添加石墨的TiC涂層相比, 分別降低了72.4%和27.8%。

TiC-Graphite復(fù)合涂層; 磨損性能; 大氣等離子噴涂; 顯微結(jié)構(gòu); 力學(xué)性能

陶瓷涂層具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能, 在保護部件免受磨損和腐蝕等方面得到廣泛應(yīng)用[1-5]。TiC薄膜/涂層因其高硬度、優(yōu)異的摩擦和磨損性能、良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性受到廣泛關(guān)注[6-8]。通過物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)制備的TiC薄膜已成功應(yīng)用于各種耐磨部件, 例如刀具、模具及機械零部件等[9-12], 但其應(yīng)用受到沉積效率低和成本高的限制。厚涂層具有更好的綜合性能, 在高載荷、高速度和長服役時間等極端環(huán)境能起到更好的耐磨保護作用[6,13-15]。大氣等離子噴涂(APS)具有沉積效率高、等離子焰流溫度高、可以處理不同基材, 并且制備的涂層較致密均勻等優(yōu)點, 是制備陶瓷涂層的最佳方法之一。

在諸多力學(xué)性能指標(biāo)中, 硬度與摩擦磨損關(guān)系最為密切, 在大多數(shù)情況下磨損率都會隨硬度的提高而降低, 但是硬度高往往會造成摩擦系數(shù)高[14-17]。向硬質(zhì)涂層中加入自潤滑材料, 使得涂層同時具有高硬度和低剪切強度, 可以有效降低涂層的摩擦系數(shù)和磨損率[14-17]。石墨具有層間滑移的特點, 具有良好的自潤滑減摩特性。此外, 石墨還具有低密度(1.67～1.83 g/cm3)、高熔點(3527 ℃)、高熱導(dǎo)率(90～300 W/(m·K))、較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點[17-18]。近年來, 研究人員試圖通過引入石墨相來改善硬質(zhì)涂層的摩擦學(xué)性能。Mi等[14]采用反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)制備了不同石墨含量的Ti(CN)涂層, 并對其磨損性能進行研究。結(jié)果表明, 隨著石墨添加量增大, 涂層摩擦系數(shù)降低, 磨損率先降低然后增加。30%石墨添加量的Ti(CN)涂層具有較低的磨損率。Natarajan等[19]研究了石墨對等離子噴涂NiCrBSi涂層磨損行為的影響, 結(jié)果表明, 在涂層中添加石墨可以減小體積損失和磨損率, NiCrBSi- 8% Graphite復(fù)合涂層具有優(yōu)異的耐磨性能。從已有研究可以看出, 添加適量的石墨可以有效減小硬質(zhì)涂層摩擦系數(shù)和磨損率, 改善涂層摩擦學(xué)性能, 而未見添加石墨對TiC涂層磨損性能影響的有關(guān)報導(dǎo)。

本工作制備了不同石墨添加量的TiC-Graphite球形團聚粉體, 石墨的引入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為1.25%、2.5%、5%和10%。采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備TiC-Graphite復(fù)合涂層與單相TiC涂層, 研究不同石墨添加量對TiC-Graphite涂層相組成、顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響, 進而分析其對涂層磨損性能的影響, 以期為實際應(yīng)用提供實驗依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 涂層制備

將市售的石墨粉體(純度: 99.5%, 國藥集團)和TiC粉體(純度: 99.0%, 株洲廣源硬質(zhì)材料有限公司)分別按照質(zhì)量比1.25 : 98.75、2.5 : 97.5、5 : 95和10 : 90進行配比, 加入去離子水和粘結(jié)劑配置成漿料, 進行噴霧干燥得到TiC-Graphite復(fù)合粉體; 對噴霧造粒的粉體進行燒結(jié)致密化, 然后過篩選擇合適粒徑的噴涂粉體。

實驗選用石墨作為基體, 尺寸為33 mm× 3 mm。噴涂前對基體進行噴砂預(yù)處理, 以獲得清潔粗糙、活性高的表面。首先采用APS-2000大氣等離子噴涂技術(shù)在基體表面噴涂Si涂層; 然后將其放置在真空氣氛爐中進行熱處理, 生成SiC過渡層; 最后在基體表面噴涂350～400 μm厚的TiC-Graphite涂層。Si和TiC-Graphite涂層的噴涂參數(shù)如表1所示。為了方便說明, 石墨添加量為0、1.25%、2.5%、5%和10%的TiC-Graphite涂層依次標(biāo)記為TG0、TG1.25、TG2.5、TG5和TG10。

1.2 樣品表征

采用激光粒度儀(BT-9300Z, 丹東百特儀器有限公司, 中國)測試粉體粒徑分布。采用附帶能譜儀(EDS)的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Magellan 400, FEI, 美國)對粉體、涂層、磨痕和磨屑的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成進行分析。采用X射線衍射儀(RAX-10, Rigaku, 日本)分析粉體和涂層的物相組成, 選用Cu Kα射線, 波長為0.154056 nm。采用表面輪廓儀(DektakXTL, Bruker, 德國)測量涂層的表面平均粗糙度(a)。采用顯微硬度計(TUKON-2100B, INSTRON, 英國)測量涂層截面的維氏硬度, 取10個測量的平均值。試驗力為9.8 N, 保持時間為15 s。

表1 Si和TiC-Graphite涂層大氣等離子噴涂工藝參數(shù)

采用摩擦磨損試驗機(DX-NPO11, 東興電訊材料有限公司, 中國)以球-盤接觸方式測試拋光后涂層的摩擦磨損性能。對磨球選用WC-Co, 直徑為5 mm, 硬度為(16.1±0.4) GPa。載荷為20和50 N, 線速度為0.5 m/s, 時間為1800 s。采用摩擦磨損試驗儀的傳感器測量涂層的受力情況, 采用儀器系統(tǒng)自帶公式計算摩擦系數(shù), 結(jié)果由儀器顯示器直接讀取。摩擦系數(shù)的具體計算公式為:

式中,為摩擦力,為涂層豎直方向?qū)嶒炤d荷。體積磨損率由以下公式計算得出:

式中,為體積磨損率,為磨損體積,為涂層垂直方向?qū)嶒炤d荷,為摩擦行程。磨損體積=2π·, 其中為磨痕橫截面積,為磨痕半徑(11 cm)。磨痕截面積由表面輪廓儀(DektakXTL, Bruker, 德國)測量, 選取磨痕的8個位置進行磨痕截面積的測量, 取其平均值。每種條件下試驗重復(fù)3次, 最終的摩擦系數(shù)和磨損率為3次試驗數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉體和涂層顯微結(jié)構(gòu)和物相組成

圖1為TG2.5粉體形貌、粒徑分布和相關(guān)EDS分析。粉體呈球形, 大小均勻(圖1(a))。中位粒徑為40 μm左右, 粉體粒徑分布較集中(圖1(c)), 適合等離子噴涂。從高倍形貌和相關(guān)EDS分析(圖1(b, d))可以看到, 粉體區(qū)域1含有石墨相, 表明石墨被成功摻入TiC粉體。

圖2為TiC-Graphite粉體和涂層的XRD圖譜。粉體的主相為TiC, 次相為石墨, 隨著石墨添加量增大, TiC-Graphite粉體的石墨相特征峰強度增強(圖2(a))。與粉體相比, 僅TG10涂層中檢測到石墨相, 表明噴涂過程中石墨發(fā)生損耗, 涂層中石墨含量減少(圖2(b))。此外, TG0涂層存在少量TiO相, 其它TiC-Graphite涂層未檢測到鈦的氧化物相, 這可能與石墨的添加有關(guān)。

圖3為TiC-Graphite涂層表面微觀形貌和EDS結(jié)果?？梢钥吹? 涂層表面存在完全熔化和部分熔化區(qū)域, 并且存在少量孔隙[19-20]。隨著石墨添加量增大, 涂層表面粗糙度有增大的趨勢(圖3(a～e))。此外, 涂層表面可以觀察到黑色的石墨相(圖3(b～e))。

圖4為TiC-Graphite涂層的截面形貌和元素分布。TiC-Graphite涂層較致密, 孔隙率較低, 并且具有熱噴涂典型的層狀結(jié)構(gòu)。隨著石墨添加量的增加, TiC-Graphite涂層微裂紋逐漸增多, 致密度減小(圖 4(a～e))。這可能是由于石墨粒子與TiC的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率等物理性能差異較大造成的[18-21]。TG2.5涂層的O元素面分布圖顯示涂層截面含有少量的O元素(圖4(f)), 表明噴涂過程中粉體發(fā)生了少量氧化。相關(guān)EDS(圖4(g～i))分析顯示, 顏色越深的區(qū)域, C 元素含量越高, 推測顏色較深的區(qū)域為石墨富集區(qū)。

2.2 涂層粗糙度和硬度

圖5為TiC-Graphite涂層的表面粗糙度(a)和維氏硬度隨石墨添加量變化的關(guān)系曲線。隨著石墨添加量增大, 涂層的粗糙度從(6.4±0.6) μm增大至(15.7±0.5) μm (圖5(a)), 維氏硬度從(5.6±0.4) GPa下降至(2.0±0.5) GPa (圖5(b))。涂層表面粗糙度增大可能是由于在涂層沉積過程中, TiC熔滴的鋪展受到石墨的影響, 導(dǎo)致涂層表面粗糙度增大[17]。涂層的硬度下降一方面可能是由于石墨本身硬度低, 隨著石墨添加量增大, 涂層的硬度必然減小; 另一方面, 添加石墨會導(dǎo)致涂層致密度減小, 裂紋等缺陷增多, 因此涂層顯微硬度進一步降低[14,22]。

圖1 TG2.5粉體的低倍形貌(a)、高倍形貌(b)、粒徑分布(c)和相關(guān)EDS分析(d)

圖2 TiC-Graphite粉體(a)和涂層(b)的XRD圖譜

圖3 TiC-Graphite涂層的表面形貌(a～e)和相關(guān)EDS分析(f)

圖4 TiC-Graphite涂層的截面形貌(a～e), TG2.5涂層截面氧元素面分布(f)和不同區(qū)域EDS分析(g～i)

圖5 TiC-Graphite涂層的表面粗糙度(a)和維氏硬度(b)

2.3 涂層摩擦系數(shù)和磨損率

圖6為TiC-Graphite涂層在20和50 N載荷條件下摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線。在20和50 N載荷下, 隨石墨添加量增加, 涂層摩擦系數(shù)均減小。與20 N載荷條件相比, 在50 N載荷條件摩擦系數(shù)較穩(wěn)定。

圖7為TiC-Graphite涂層在20和50 N載荷條件下穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)和磨損率曲線。在20和50 N載荷條件下, 隨石墨添加量增大, 涂層穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)分別從0.53、0.49降至0.33、0.28。在20 N載荷條件下, 當(dāng)石墨添加量少于2.5%時, 涂層磨損率基本不變。當(dāng)石墨添加量超過2.5%時, 涂層磨損率急劇增大。在50 N載荷條件下, 當(dāng)石墨添加量少于2.5%時, 涂層磨損率明顯減小。當(dāng)石墨添加量超過2.5%時, 涂層磨損率亦急劇增大。當(dāng)石墨添加量為2.5%時, 涂層的磨損率最低, 僅為0.67× 10?5mm3/(N·m), 同時具有較低的摩擦系數(shù)(0.35)。與不添加石墨的TiC涂層相比, 磨損率和摩擦系數(shù)分別降低了72.4%和27.8%。由此可見, 石墨對TiC涂層在高載荷的磨損性能影響更顯著。

圖6 20 N(a)和50 N(b)載荷條件TiC-Graphite涂層的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線

圖7 20 N(a)和50 N(b)載荷條件TiC-Graphite涂層的摩擦系數(shù)和磨損率隨石墨添加量的變化

2.4 涂層磨損機理

不同石墨添加量顯著影響TiC涂層的摩擦學(xué)性能, 本研究重點分析50 N載荷條件下涂層磨痕和磨屑, 從而探究TiC-Graphite涂層磨損行為及磨損機理。圖8(a～e)為TiC-Graphite涂層的磨痕形貌。當(dāng)石墨添加量少于2.5%時, 隨石墨添加量增大, TiC-Graphite涂層磨痕剝落凹坑和脆性斷裂減少, 轉(zhuǎn)移層增多且未發(fā)現(xiàn)犁溝, 呈現(xiàn)疲勞磨損的典型形貌(圖8(a～c))[23-24]。當(dāng)石墨添加量達到5%時, TG5涂層磨痕剝落凹坑和脆性斷裂消失, 表面形成大面積且完整的轉(zhuǎn)移層(圖8(d))。當(dāng)石墨添加量達到10%時, 由于TG10轉(zhuǎn)移層中石墨相過多, 不能承受高載荷, 導(dǎo)致磨痕又重新出現(xiàn)剝落凹坑(圖8(e))。此外, 從TG5和TG10涂層磨痕的高倍形貌(圖8(g～h))可以看到, 磨痕表面不存在犁溝, 表明未發(fā)生磨粒磨損[25-26]。圖8(f)為TG2.5涂層磨痕的O元素面分布圖, 可以看到, 轉(zhuǎn)移層(區(qū)域1)的氧含量高于非轉(zhuǎn)移層(區(qū)域2), 表明磨損過程中發(fā)生了氧化[27]。圖8(i)顯示TiC-Graphite涂層磨痕表面各元素的相對含量, TiC-Graphite涂層磨痕表面W元素含量極少, 表明對磨材料WC-Co幾乎沒有向磨痕轉(zhuǎn)移, 未發(fā)生黏著磨損[28]。

圖9是TiC-Graphite涂層的磨屑形貌。磨屑主要由片狀和顆粒結(jié)構(gòu)組成。與其它涂層相比, TG0涂層存在較多的片狀磨屑, 且片狀磨屑尺寸較大。隨石墨添加量增加, 涂層片狀磨屑減少, 顆粒磨屑增多。磨屑的結(jié)構(gòu)變化主要是涂層的硬度和致密度逐漸減小導(dǎo)致的。EDS 結(jié)果(圖9(f))顯示, TG0和TG10涂層磨屑均含有少量W元素, 表明磨屑中存在少量對磨球材料(WC-Co)。與TG0磨屑(區(qū)域1)相比, TG10磨屑(區(qū)域2)含有較多的C元素, 表明TG10磨屑中存在較多石墨相。

基于上述實驗結(jié)果和分析可知, 當(dāng)對磨球與TiC-Graphite涂層對磨時, 摩擦開始之初會產(chǎn)生細(xì)小的磨屑。隨著摩擦進行, 在擠壓力作用下含有石墨的混合磨屑在涂層表面形成低剪切強度的轉(zhuǎn)移層。該轉(zhuǎn)移層保留了石墨本身的潤滑特性, 在磨損過程中起到一定程度的潤滑作用[22,29-30]。此外, 轉(zhuǎn)移層阻止了對磨材料之間的直接接觸, 從而減小了摩擦力, 對TiC-Graphite涂層起到較好的保護作用。因此, 在50 N載荷條件下, 隨石墨添加量的增加, TiC-Graphite涂層磨痕表面轉(zhuǎn)移層增多, 疲勞剝落和脆性斷裂減少, 從而減小了摩擦系數(shù)和磨損率。隨石墨添加量進一步增加, 摩擦系數(shù)持續(xù)減小, 但涂層內(nèi)部微裂紋增多和致密度減小, 反而導(dǎo)致TiC-Graphite涂層磨損率增加。

圖8 TiC-Graphite涂層的磨痕形貌(a～e, g, h), TG2.5涂層磨痕的氧元素面分布(f)和TiC-Graphite涂層磨痕表面相關(guān)元素含量(i)

圖9 TiC-Graphite涂層的磨屑形貌(a～e)和磨屑EDS分析(f)

3 結(jié)論

采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備了不同石墨添加量的TiC-Graphite涂層, 并研究了不同石墨添加量對TiC-Graphite涂層相組成、顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響, 進而分析其對涂層磨損性能的影響, 并對TiC- Graphite涂層磨損機理進行了探究, 得出如下結(jié)論:

1) 隨石墨添加量增大, TiC-Graphite涂層截面微裂紋增多, 表面粗糙度增大, 硬度持續(xù)下降。

2) 石墨添加相對TiC涂層在高載荷條件的磨損性能影響更顯著。50 N高載荷條件, 隨石墨添加量增大, TiC-Graphite涂層磨損率先減小后急劇增大, 而摩擦系數(shù)持續(xù)減小。當(dāng)石墨添加量為2.5%時, 涂層獲得較低的摩擦系數(shù)為0.35, 同時具有最低的磨損率(0.67×10?5mm3/(N·m)), 與不添加石墨的TiC涂層相比, 摩擦系數(shù)和磨損率分別降低了27.8%和72.4%。

3) 隨石墨添加量增大, TiC-Graphite涂層磨痕表面轉(zhuǎn)移層增多, 疲勞剝落和脆性斷裂減少, 從而減小了摩擦系數(shù)和磨損率。隨石墨添加量進一步增加, 摩擦系數(shù)持續(xù)減小, 但涂層內(nèi)微裂紋增多和致密度減小, 反而導(dǎo)致TiC-Graphite涂層磨損率增加。TiC-Graphite涂層磨損機理主要包括疲勞磨損和摩擦氧化。

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Tribological Properties of Plasma Sprayed TiC-Graphite Composite Coatings

HONG Du1,2, NIU Yaran1, LI Hong2, ZHONG Xin1, ZHENG Xuebin1

(1. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Plasma sprayed TiC coatinghas now been a frequent choice for wear-resistant applications in extreme environments owing to its good comprehensive performance. Meanwhile, graphite is an excellent self-lubricating material. Here, spherical TiC-Graphite composite powders with different contents of graphite (1.25%, 2.5%, 5%, and 10% in mass) were fabricated by spray drying and vacuum sintering, and then TiC-Graphite composite coatings were prepared by atmospheric plasma spray (APS) technology. The phase composition, microstructure and mechanical properties of the coatings were characterized, and its tribological performances were evaluated. The results showed that the TiC-Graphite coatings were mainly composed of TiC and graphite phases. With the increase of graphite addition, the micro-cracks in the section and the roughness of the TiC-Graphite coatings increased while the hardness gradually decreased. Compared with low load, graphite had more significant effect on wear performance of the TiC coating under high load. Under the load of 50 N, wear rate of the TiC-Graphite coating first decreased and then increased, but the friction coefficient kept decreasing with the increase of graphite addition. When the graphite addition was 0.25%, the minimum wear rate of 0.67×10?5mm3/(N·m) was obtained, whereas the friction coefficient was 0.35, which were reduced by 72.4% and 27.8% compared with the pure TiC coating, respectively.

TiC-Graphite composite coatings; tribological property; atmospheric plasma spray; microstructure; mechanical property

1000-324X(2022)06-0643-08

10.15541/jim20210521

TQ174

A

2021-08-23;

2021-11-14;

2021-12-24

國家重點研發(fā)計劃(2016YFE0111200)

National Key R&D Program of China (2016YFE0111200)

洪督(1992–), 男, 碩士研究生. E-mail: hongdu@mail.sic.ac.cn

HONG Du (1992–), male, Master candidate. E-mail: hongdu@mail.sic.ac.cn

鄭學(xué)斌, 研究員. E-mail: xbzheng@mail.sic.ac.cn

ZHENG Xuebin, professor. E-mail: xbzheng@mail.sic.ac.cn