超音速等离子喷涂铁基非晶涂层组织结构与摩擦学性能研究

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1、超音速等离子喷涂铁基非晶涂层组织结构与摩擦学性能研究超音速等离子喷涂铁基非晶涂层组织结构与摩擦学性能研究机械设备零部件表面的主要失效形式是磨损和腐蚀，每年由磨损和腐蚀直接导致的经济损失十分巨大。据国外统计，有70%～80%的机械设备是因为零部件表面摩擦磨损而导致损坏报废。选用较为贵重的耐磨、耐蚀零件作为机械设备的易损零件，虽然可以减小零件的损耗，延长零件的寿命，但此方法将大幅增加工业的生产成本。将热喷涂技术应用于机械零部件表面的强化及防护中，能够极大地延长机械的使用寿命。由于涂层的厚度可控，从而能够再制

2、造因磨损、腐蚀等失效的机械零部件，成功实现了废物回收利用，降低了原材料和能源的消耗，大幅度降低了企业的生产成本，显著提高了经济效益。非晶合金材料具有许多晶态合金材料不具有的优异物理、化学和力学性能，比如强度、硬度高，耐磨、耐蚀性能优异等。但是，传统方法制备的非晶合金受冷却速度、尺寸等影响较大，在一定程度上限制了非晶合金的广泛应用。目前，利用热喷涂技术制备非晶合金涂层受到了越来越多的学者的关注。与其他非晶合金涂层相比，铁基非晶合金涂层既保持了优异的耐磨、耐蚀性能，又拥有较高的性价比，适合在表面防护涂层材料

3、领域广泛应用。　　等离子喷涂技术以非转移弧为热源加热加速喷涂粉末，由于等离子喷涂温度较高，喷涂粒子速度较快，有利于非晶形成。KobayashiK和YanoS等人采用等离子喷涂技术制备了200μm左右厚的铁基非晶合金涂层。研究发现，该涂层的耐磨性显著高于基体。CheriguiM和FeraounHI等人采用大气等离子喷涂技术（APS）分别制备了Fe2Si（B）和FeNb涂层。研究发现，采用合适的工艺参数能够获得非晶/本文由.L.收集整理纳米晶涂层。此外，加入B元素有利于提高非晶的形成能力。向兴华、穆晓

4、东等人采用等离子喷涂技术制备了0.2～0.25mm的铁基非晶合金涂层，研究了该涂层的耐磨、耐蚀性能。结果表明，该涂层主要由非晶相及少量淬火核结晶相组成，与基体结合良好，结合强度在27MPa左右，且孔隙率较低，氧化物含量较少，硬度较高。韩建军、高振等人采用等离子喷涂技术在锅炉管束的受热表面制备了铁基非晶涂层。此涂层孔隙率较低，腐蚀电位较高，具有较好的耐蚀性。潘继岗、樊自拴等人分别采用超音速火焰喷涂和等离子喷涂技术在0Cr13Ni5Mo不锈钢基体表面制备了一层铁基非晶纳米晶涂层和铁基非晶合金涂层。研究发现，

5、采用等离子喷涂技术制备的涂层不仅具有较高的硬度，而且还在涂层中弥散分布着纳米颗粒，使得涂层的耐磨性优于超音速火焰喷涂制备的涂层。　　本文以铁基非晶合金涂层为主要研究对象，采用自主研发的高效能超音速等离子喷涂设备制备，研究涂层的组织结构和性能，对比不同环境对涂层耐磨及耐蚀性能的影响，为铁基非晶合金涂层在表面工程防护领域的应用和推广奠定一定的基础。　　1实验　　1.1涂层制备　　图1为HEPJet高效能超音速等离子喷涂系统结构。该系统的装置组成基本上与普通等离子喷涂设备相同，主要组成部分有电源、控制系统、冷

6、却水循环系统、送气装置、送粉装置、喷枪及其他配套辅助设备。喷涂铁基非晶粉末采用由北京桑尧技术开发有限公司生产的纯铁基非晶粉末（纯度大于或等于99%，粒径范围为25～35μm）。铁基非晶粉末呈均匀的球形，流动性较好，其微观形貌如图2所示。基体材料为调质45#钢（860～880℃淬火，420～440℃回火），其硬度约为30HRC，试样线切割三维尺寸为10mm5mm40mm。利用KQ2200DB型超声波清洗仪清洗除去基体表面的油污，最后采用24目的棕刚玉进行喷砂处理。喷砂距离约为200mm，喷射角度为6

7、0°～90°。喷砂结束后，停止供砂，并用余气吹去基体表面残留的砂粒。需要注意的是，必须在喷砂结束后的2h内进行喷涂作业。图3为铁基非晶涂层粉末的EDS能谱图。从能谱分析结果可以看到，粉末的主要元素有Mo、Cr、Fe和Co，还含有少量的Si和O元素。超音速等离子喷涂铁基非晶涂层的最优参数组合为氩气流量为100L/min，喷涂功率为55k）对粉末形貌和涂层微观形貌进行分析，并利用配套的Χ射线能谱仪（EDS）分析涂层微区的化学成分；采用MTS万能拉伸试验机对涂层结合轻度进行分析，采用O

8、LMPUS三维形貌仪对涂层的磨痕形貌进行表征；采用OLYMOUS金相显微镜分析涂层的孔隙率，并用上海研润公司的HVS-1000型显微硬度计测试涂层的显微硬度；采用美国的CETR多功能摩擦磨损试验机，并选用球盘式方法在干摩擦条件下测试涂层的摩擦磨损性能。　　2结果与讨论　　2.1涂层组织结构分析　　图4所示为超音速等离子喷涂制备非晶涂层截面。从图4（a）中可以看到，涂层整体光滑、平整、均匀、致密，且孔隙和杂质较少。经测试，涂层孔隙率低至0.6