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热喷涂耐磨涂层技术的研究现状

  热喷涂金属涂层是研究和应用较早的耐磨涂层,常用的有金属(Mo、Ni)、碳钢和低合金钢、不锈钢和Ni-Cr合金系列涂层。一般采用火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、HVOF及爆炸喷涂工艺,涂层具有与基体的结合强度较高,耐磨、抗腐蚀性能较好等优点,用于修复磨损件及机械加工超差件。

  采用铝系合金等离子喷涂技术对活塞环、同步环及气缸等零件进行喷涂时,涂层具有良好的耐磨性、高结合强度及优异的耐粘着磨损性,在有润滑油的条件下具有良好的抗咬死性和抗拉伤性能。高碳钢丝、不锈钢(Crl3型、18-8型等)合金丝是常用的耐磨耐蚀喷涂材料[13-15]。具有强度较高、耐磨性好、来源广泛、价格低廉等特点。NiCr涂层具有较好的耐热、抗腐蚀及抗冲蚀磨损的性能,可作为电站锅炉的过热器管和再热器管的防护涂层,采用火焰和等离子喷涂方法可制备具有不同组织结构的NiCr金属耐磨涂层,涂层中孔隙率和氧化物含量较高[16]。

  热喷涂陶瓷粉末包括氧化物、碳化物、硼化物、氮化物及硅化物等,是金属元素和非金属元素组成的晶体或非晶体化合物。陶瓷涂层具有高熔点、高硬度和良好的耐磨性、耐腐蚀性以及高温稳定性等特点。但喷涂陶瓷涂层工艺复杂,成本较高,而且涂层表面容易出现裂纹,抗热疲劳性能不如金属涂层;而且涂层的韧性较差,不能用于承受较大的冲击载荷。目前常用的陶瓷涂层有A12O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2、WC、TiC、Cr3C2、TiB2等,一般采用等离子喷涂、火焰喷涂、HVOF和爆炸喷涂技术制备。

  任靖日等[17]研究了等离子喷涂A12O3-40%TiO2和Cr2O3陶瓷粉末涂层的滑动磨擦磨损特性,指出Cr2O3涂层的耐磨性高于A12O3-40%TiO2涂层,Cr2O3涂层的磨损机理主要为磨粒磨损,在较大载荷下,Cr2O3涂层的磨损呈现脆性断裂特征。A12O3-40%TiO2涂层的磨损机理主要表现为塑性变形和层状剥离。陈传忠等[18]研究的A12O3加TiO2加NiCrAlY复合陶瓷涂层,由于熔化的TiO2和A12O3形成了一定程度的互溶,可减小涂层的孔隙率,进一步提高涂层的强度、韧性和耐磨性能。

  Lin等[19]研究了等离子喷涂多层金属、陶瓷涂层的滑动磨擦磨损特性。其喷涂顺序为,首先在基体上喷涂NiCr打底层,然后是不同比例的NiCr-Cr2O3过渡层,表面为100%的Cr2O3。发现适当金属和陶瓷比例的过渡层能够提高涂层的耐磨性。涂层的主要磨损机理为脆性断裂、磨粒磨损、粘着和氧化磨损。

  金属与陶瓷材料各有其独特的优异性能和明显的性能弱点,如何把金属与陶瓷材料各自的优势性能结合起来,一直是材料科学与工程界研究的方向。金属陶瓷复合涂层技术,即在塑性的基体上均匀地分布着颗粒形状、尺寸大小适当的陶瓷相,成功地实现金属和陶瓷的优势结合,制备既有金属强度和韧性,又有陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点的复合材料,大大拓宽了金属材料和陶瓷材料各自的应用范围,在航空、航天、化工、机械、电力等工业领域得到成功应用[20][21]。在工业上应用最广的金属陶瓷涂层主要有:Cr3C2-NiCr、WC-Co。大多采用HVOF、等离子及爆炸喷涂工艺。

  Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层由难熔碳化铬硬质相与韧性良好的镍铬合金相组成,具有较高的高温硬度、优异的高温耐磨性、耐蚀性、抗氧化性及较高的结合强度,广泛应用于高温(530~9000℃)磨粒磨损、腐蚀磨损和冲蚀磨损工况下工作的零件,如连续退火线的炉辊、轧钢厂连续生产线上的芯辊、气缸活塞环、缸衬等。TiB2基金属陶瓷涂层具有高熔点、高硬度、良好的电和磁性能以及高抗腐蚀性,是一种潜在的替代Cr3C2用于高温、耐磨的金属陶瓷。比A12O3、Cr3C2-NiCr、WC-Co具有更高的耐磨性能[22]。

  WC基金属陶瓷涂层常用于450℃以下的磨粒磨损和冲蚀磨损工况。徐向阳等[23]研究了等离子喷涂WC/18Co涂层的微动磨损机理。结果表明,涂层的微动磨损开始阶段以粘着磨损为主,涂层硬度高,抗粘着能力强,磨损轻微;稳定阶段以疲劳脱层和脆性开裂剥落为主,涂层脆性大,喷涂粒子间结合强度低,容易磨损。喷涂层内部的氧化物夹杂是造成涂层抗微动磨损能力不足的主要原因。

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