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大气等离子喷涂Al2O3 40%TiO2涂层的组织与性能
刘 前1, 王优强1, 苏新勇2, 董 宁1, 黄兴保1, 刘基凯2    
1. 青岛理工大学 机械工程学院, 山东 青岛 2660332. 青岛前进船厂, 山东 青岛 266001
摘要:为提高舰船关重部件的耐磨损、抗腐蚀性能,开展了大气等离子喷涂氧化铝复合涂层技术研究。在45钢表面制备Al2O3-40%TiO2陶瓷涂层,通过扫描电子显微镜、显微硬度计、电子天平、摩擦磨损试验机等仪器设备,分析该涂层的显微结构,测其显微硬度、孔隙率等性能,研究其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能。结果表明:涂层均匀致密,孔隙率为1.86%,涂层与粘结层之间有明显的倒钩镶嵌结构;Al2O3-40%TiO2涂层的平均硬度为687.2 HV0.1,同时粘结层起到了硬度梯度作用;在干摩擦条件下,45钢主要为严重的黏着磨损,而涂层的磨损主要以层状剥离为主,伴随着少量磨粒磨损,且磨损量低于45钢。在某舰艇主机正时齿轮密封失效部位表面使用Al2O3-40%TiO2涂层,大大提高了正时齿轮的使用寿命,为舰船关重部件的维修与再制造提供了技术支持和理论参考。
关键词大气等离子喷涂     Al2O3-40%TiO2涂层     摩擦磨损    
Structure and Properties of Al2O3 40%TiO2 Coating Prepared by Atmospheric Plasma Spraying
LIU Qian1, WANG You-qiang1, SU Xin-yong2, DONG Ning1, HUANG Xing-bao1, LIU Ji-kai2    
1. School of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, Shandong; 2. Forward Shipyard of Qingdao, Qingdao 266001, Shandong
Abstract: In order to improve the performance of wear resistance and corrosion resistance of the vessel’s key-important parts, the atmospheric plasma spraying aluminum oxide composite coating technology was studied. The Al2O3-40%TiO2 ceramic coating was prepared on the surface of 45 steel through atmospheric plasma spraying technology. The microstructure of the coating was analyzed and the microhardness and porosity were tested by scanning electron microscope, microhardness meter, electronic balance, and friction and wear testing machine, such as laboratory equipment and instrument. The performances of friction and wear of the coating were investigated in dry frictional condition. Results show that the coating is uniform density and low porosity of 1.86%. The barb mosaic structure appears between the coating and the bonding layer. The average microhardness of Al2O3-40%TiO2 coating is 687.2 HV0.1. Bonding layer plays a very good effect of hardness gradient at the same time. Under the condition of dry friction, the wear mechanism of 45 steel is mainly adhesive wear, the coating is given priority to layered dissection, accompanied by a small amount of abrasive wear, and the wear is less than 45 steel. Al2O3-40%TiO2 coating was used on the surface of seal failure parts of timing gear in one vessel, the service life of the timing gear is significantly improved by the coating, which provide technical support and theoretical reference for repair and remanufacturing of the vessel’s key-important parts.
Key words: atmospheric plasma spraying     Al2O3-40%TiO2 coating     friction and wear    

0 引 言

等离子喷涂技术因喷涂层致密、结合强度高、喷涂效率高、喷涂材料广泛、 成本低等优点在表面工程中迅速发展。等离子喷涂Al2O3-TiO2陶瓷涂层是新型Al2O3基复合陶瓷涂层,TiO2粉末的加入有效的降低纯Al2O3涂层的脆性,减少复合涂层的孔隙率,提高强度、韧性和耐磨性[1]。等离子喷涂在大型舰船传动轴和减速齿轮等关重部件的表面强化及维修与再制造中广泛应用[2]

由于舰船在高温、高湿、高盐雾的海洋环境中长时间远距离航行,其关重部件极易损坏失效,严重影响舰船的正常航行。在维修过程中发现,关重部件表面出现磨损或腐蚀等失效现象,因此关重部件的表面修复与强化就显得十分重要。前人大部分对纳米Al2O3-TiO2涂层的性能进行了研究[3,4,5,6],但Al2O3-40%TiO2涂层在机械零部件的维修与再制造中应用研究很少。文中采用大气等离子喷涂技术制备Al2O3-40%TiO2陶瓷涂层,分析了该涂层的微观结构,测试了显微硬度、气孔率等性能,研究其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,以便为舰船关重部件的绿色维修与再制造提供技术支持和理论参考。 1 试 验 1.1 试样制备

采用APS-2000A型等离子喷涂设备,选用45钢作为试样基体材料,镍铝包覆型粉末Ni/Al作为粘结层材料,使用粒径为15~45 μm的球形粉末Al2O3-40%TiO2(金红石型)作为涂层材料。喷涂粉末前将陶瓷粉末放入烤炉中烘烤1~1.5 h,温度设定为100~120 ℃,制备100 mm×70 mm×8 mm试样,按照GB/T12446-2006《金属材料 磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》制备试环,基体经预热加工,丙酮去油,钢砂比重大,使用寿命长[7],因此采用钢砂按照表 1的工艺对基体进行表面喷砂,以增强涂层与基体间的结合强度,按照表 2的工艺参数对基体进行等离子喷涂,粘结层厚度约为0.1 mm,涂层厚度0.3~0.5 mm。

表 1 喷砂处理工艺参数Table 1 Parameters of the sandblasting
GritSize/mmSandblasting pressure/MPaSandblasting angle/(°)Sandblasting distance/mm
Steel grit G181.000.690100-150
表 2 等离子喷涂粘结层与涂层的工艺参数 Table 2 Parameters of the bonding layer and coating by plasma spraying
ParameterSpraying voltage/VSpraying current/AFlow of the main air/(L·min-1)Spraying distance/mm
Bonding layer
Coating
60
65
500
520
40
35
110
80
1.2 测试方法 1.2.1 显微组织分析

采用电火花数控线切割机床沿涂层垂直方向上切割取样,用不同型号的砂纸打磨,经磨抛机抛光后,用无水乙醇超声波清洗20 min,采用附带能量色散X射线分析仪的S-3500N型扫描电镜观察试样显微组织结构,并测试其元素组成。 1.2.2 显微硬度测试

采用数字式显微硬度计测量沿涂层截面方向的显微硬度,加载载荷为100 g,加载时间为15 s,分别测试截面涂层、粘结层、基体的显微硬度。 1.2.3 孔隙率测试

采用朱海玲[8]等的改良法并结合GB/T1966- 1996中的煮沸法测试涂层的 孔隙率,涂层孔隙率的取3次测量数据的平均值。 1.2.4 摩擦磨损试验

应用高速环块摩擦磨损试验机按照GB/T12 446- 2006进行涂层的摩擦磨损试验。在干摩擦的条件下,涂层试环与橡胶对磨,同时采用调质的45钢环作为对比环,摩擦时间为2 h,载荷为20 N,超声波清洗20 min后,用精度为0.1 mg的分析天平测量磨损量,采用游标卡尺测量橡胶试块前中后的磨痕宽度,取平均值。

由于试验条件所限,采用多功能摩擦磨损试验仪,接触形式为点接触,摩擦方式为往复运动,对磨材料为GCr15钢球,在干摩擦条件下,分别测试涂层和45钢,在载荷为2、3和4 N时的摩擦因数,试验时间为1 h,每组测3次取平均值。 2 结果与讨论 2.1 显微组织

图 1为Al2O3-40%TiO2涂层的微观形貌。由图 1可看出,涂层较均匀致密有少量气孔,且呈现片层状堆积结构,由于喷涂气流量极快,部分颗粒未能完全融化,因此涂层出现完全、部分熔覆区且存在未熔颗粒,截面涂层显现出类似堆积岩纹理的明暗相间的区域。由图 1(b)可看出涂层与机体之间结合良好,无裂纹等明显缺陷,截面各元素分布均匀,未发生偏聚和扩散现象。涂层与粘结层之间出现明显的倒钩镶嵌结构,在一定程度上提高涂层与基体的结合强度,保证涂层的质量和使用寿命。

图 1 Al2O3-40%TiO2涂层的微观形貌Fig. 1 Morphologies of the Al2O3-40%TiO2 coating
2.2 显微硬度

一般地,材料的硬度越高,耐磨性越好,故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。图 2为涂层沿截面厚度方向的显微硬度分布,由图可知,试样截面涂层平均硬度为687.2 HV0.1,是45钢基体硬度的3倍以上。而等离子喷涂纳米Al2O3-TiO2涂层硬度为900~1 200 HV[9]0.1,两者相比,Al2O3-40%TiO2涂层硬度略有下降,使得Al2O3-40%TiO2涂层在保证耐磨性的前提下更易于磨削加工。粘结层硬度介于基体与涂层硬度之间,有很好的硬度梯度作用,减小内应力,可防止裂纹等缺陷的产生。

图 2 涂层沿截面的显微硬度分布Fig. 2 Microhardness distribution of the coating along cross section
2.3 涂层孔隙率

在等离子喷涂过程中,颗粒经等离子焰流加热成为熔融或半熔融状态,并以较高速度沉积在基体或已成形的涂层上,这就不可避免出现孔隙。一般认为孔隙的形成主要由于以下原因[10]:①熔融颗粒打在先前沉积颗粒上面形成遮蔽效应;② 相邻层间颗粒体积收缩及溶解的气体不能及时溢出;③变形颗粒的不完全重叠。孔隙率导致涂层使用过程中萌生裂纹,涂层后期使用过程中的失效模式及使用寿命受孔隙率的影响,因此,孔隙率也是衡量涂层质量的重要指标之一。

试验测试结果如下表 3,测得的孔隙率平均值为1.86%,较低的孔隙率将有利于减少涂层使用中的微观断裂现象,有助于提高其使用寿命。

表 3 涂层孔隙率测试结果Table 3 Test results of the coating porosity
Coating sampleDry weight,m0/gLiquid weight,m1/gWet weight,m3/gPorosity,P/%
10.471 40.156 00.473 91.60
20.665 90.199 70.669 92.00
30.747 50.217 70.751 81.98
Average1.86
2.4 涂层摩擦磨损性能

图 3为涂层及45钢与橡胶的干摩擦磨损表面SEM形貌。由图 3(a)可以看出,涂层在干摩擦条件下,涂层接触面产生高温,对A、B、C区域进行能谱分析得,元素成分比例基本相同,可见涂层磨损时并未发生橡胶材料的熔融,但高温使涂层材料热软化导致硬度降低,涂层表面接触应力大,产生塑性变形,并在片状堆积层上出现显微裂纹,在进一步接触中,裂纹继续扩展,则出现层状剥离现象,剥离形成凹坑并露出含未熔颗粒的新表层如图 3(b)。由于涂层中含有少量未熔颗粒,在磨损时,颗粒脱落,形成小面积磨粒磨损,产生较小犁沟。

图 3 干摩擦磨损表面形貌Fig. 3 Surface morphologies of the dry friction and wear

图 3(c)可以得到,45钢环磨损时其表面出现明显的灼烧痕迹且产生较深犁沟,图 4为D、E两区域的能谱分析,D区域的含碳量要比E区高,说明摩擦热可使接触区产生表面闪温,造成接触区域少量橡胶材料熔融,形成严重的黏着磨损。

图 4 D、E区域的元素成分分析Fig. 4 Element composition analysis of the area D and E

试验测得磨损量及磨痕宽度如表 4所示,可以看出涂层试环的磨损量及试块磨痕宽度为0.001 g、6.91 mm,均小于45钢环,这就说明Al2O3-40%TiO2涂层提高零部件的耐磨性能,同时降低对磨材料的磨损量。

表 4 磨损量及磨痕宽度 Table 4 Wear volume and grinding crack width
Sample materialWear volume/gAverage width/mm
Coating0.0016.91
45 steel0.0058.17

经上述分析认为,在干摩擦条件下,产生的热量未能及时释放,应力集中在涂层如孔隙等缺陷处或晶界处,容易萌生显微裂纹,这些裂纹沿着缺陷或晶界增长,形成网状裂纹。涂层具有片层状堆积结构,裂纹连接起来就形成了层状剥落坑。涂层中未熔颗粒在摩擦力及裂纹的共同作用下脱落,进入摩擦界面,形成三体磨粒磨损,由于涂层硬度较高,在磨损过程中,产生较小的犁沟。45钢磨损时产生的热量,使钢与橡胶发生化学反应,形成黏着磨损,由于磨屑与钢硬度相当,导致产生较深犁沟。因此涂层的磨损量及磨痕宽度均低于45钢。涂层的磨损主要以层状剥离为主,伴随着少量磨粒磨损,而45钢主要为严重的粘着磨损。

由于舰船泵轴类部件多采用调质的45钢制备,为证明涂层提高了45钢的耐磨性,因此选用调质的45钢作对比。Al2O3-40%TiO2涂层和45钢的摩擦因数与载荷的关系如图 5所示。由图可以看出,在载荷为2、3和4 N下,涂层的摩擦因数分别为0.54、0.52、0.53,而钢的则为0.58、0.57、0.55。可见,随着载荷的增加,摩擦因数随之下降。载荷的增加,使涂层与基体产生塑性变形,导致钢球与对磨试样的接触面积增大,摩擦因数变小。在相同条件下,涂层的摩擦因数比45钢小,说明涂层耐磨性比45钢好。在摩擦磨损过程中,由于涂层表面硬度较高,承载能力强,摩擦阻力较45钢小,因此表现较低的摩擦因数。

图 5 不同载荷下Al2O3-40%TiO2涂层的摩擦因数Fig. 5 Friction coefficient of the Al2O3-40%TiO2 coating under different loads
3 典型应用实例

舰艇主机正时齿轮的密封方式为骨架密封结构,密封部位基材为中碳钢。当发动机运行时,其密封部位始终处于运动摩擦状态,极易磨损失效。针对某舰艇主机正时齿轮密封部位的磨损失效,采用等离子喷涂技术在其表面,制备了厚度约为0.3~0.5 mm的Al2O3-40%TiO2涂层,恢复原设计尺寸如图 6所示,装机使用至今,运行效果良好,大大提高其使用寿命。

图 6 正时齿轮密封部位修复图Fig. 6 Photograph of the timing gear sealing parts to repair
4 结 论

(1) Al2O3-40%TiO2涂层均匀致密有少量未熔颗粒,孔隙率较低为1.86%,表面呈现片层状堆积结构,截面形成类堆积岩纹理的区域,涂层与粘结层之间有明显的倒钩镶嵌结构,提高了涂层与基体的结合强度。

(2) Al2O3-40%TiO2涂层的平均硬度为687.2 HV0.1,与纳米涂层相比,其硬度降低,易于磨削加工,同时粘结层起到了硬度梯度作用。

(3) 干摩擦条件下,45钢表面出现灼烧痕迹,形成粘着磨损,而涂层的磨损主要为塑性变形和层状剥离,伴随着少量磨粒磨损,且磨损量明显低于45钢。

(4) 采用等离子喷涂技术,对某舰艇主机正时齿轮密封部位进行改性修复,恢复原尺寸,装机使用至今,运行效果良好。

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http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.06.017
中国科协主管,中国机械工程学会主办。
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文章信息

刘 前,王优强,苏新勇,董 宁,黄兴保,刘基凯
LIU Qian, WANG You-qiang, SU Xin-yong, DONG Ning, HUANG Xing-bao, LIU Ji-kai
大气等离子喷涂Al2O3 40%TiO2涂层的组织与性能
Structure and Properties of Al2O3 40%TiO2 Coating Prepared by Atmospheric Plasma Spraying
中国表面工程,2014,27(6): 135-140
China Surface Engineering, 2014, 27(6): 135-140.
http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-9289.2014.06.017

文章历史

收稿日期: 2014-07-11
修回日期: 2014-10-18

作者简介

刘前(1989-), 男(汉), 山东新泰人, 硕士生; 研究方向 : 等离子喷涂陶瓷涂层
山东省青岛市市北区抚顺路11号 266033
青岛理工大学机械工程学院
Tel: (0532) 8507 1757
E-mail: 342809690@qq.com

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