PDF《等离子喷涂 A l 2 O3 / T iO2 陶瓷涂层在液态》

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.

All rights reserved. http://www.cnki.net 第29 卷第2期 摩擦学学报Vol .

29 No.

2 2009 年3月Tribology Mar . ,

2009 等离子喷涂 Al2 O3 /TiO2 陶瓷涂层在液态 石蜡润滑下的摩擦磨损性能研究 赵晓琴 1,

2 ,安宇龙 1,

2 ,陈建敏

1 ,周惠娣

1 (1. 中国科学院 兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室 ,甘肃 兰州 730000;

2. 中国科学院 北京研究生院 ,北京 100049) 摘要:利用纳米和微米结构 A l2O3 /TiO2 喂料制备出 2种陶瓷涂层 ,考察了这 2种涂层在液体石蜡润滑下与不锈 钢球摩擦副的摩擦磨损性能 ,并探讨了 2种涂层的磨损机理. 结果表明 :液态石蜡润滑能有效降低纳米 A l2O3 /Ti O2 涂层与不锈钢球摩擦副的摩擦系数和磨损率 ,但是对微米涂层的润滑效果不明显. 纳米涂层的摩擦系数仅为微米涂 层的

1 /3,而磨损率则降低了 70倍以上. 纳米涂层的磨损机制在低载荷下是轻微的黏着磨损 ,高载荷下则是摩擦抛 光 ,而微米涂层的磨损机制是晶粒脆性断裂. 关键词 : 等离子喷涂 ;

A l2O3 /TiO2 ;

磨损机理 ;

润滑 ;

涂层 中图分类号 : TH117.

3 文献标识码 : A 文章编号 :

1004 -

0595 (2009)

02 -

0097 -

06 近年来 ,随着纳米技术的发展 ,关于纳米喷涂材 料与涂层的制备及应用成为热喷涂技术领域的研究 重点之一. 等离子喷涂纳米 A l2 O3 /TiO2 陶瓷涂层具 有优异的抗磨损、 耐腐蚀及抗热疲劳等性能 ,是研究 较多的一种涂层 [

1 -

4 ] . W ang 等人[4]考察了纳 米Al2 O3 /TiO2 涂层的磨粒磨损性能 ,发现纳米陶瓷的 抗磨粒磨损较微米陶瓷提高了 4倍左右. 由于纳米 和常规陶瓷涂层在显微结构上存在着较大的差 异[5-7],因此我们认为在油润滑条件下 ,二者的摩擦 磨损性能必然存在着较大的差异. 而目前有关这方 面的研究还很少见 , 为此 ,本文采用纳米和微米 A l2 O3 /TiO2 粉末制备了 2种涂层 ,对比研究这 2种 涂层与不锈钢组成的摩擦副在液体石蜡润滑下的摩 擦磨损性能.

1 实验部分 1.

1 涂层的制备及力学性能测量 黏结层和工作层均采用北京航空制造工艺研究 所的 APS - 2000A 大气等离子喷涂系统. 喷涂参数 如表 1所示 . 纳米和微米喷涂粉末 A l2 O3和TiO2质表1涂层制备工艺参数 Table

1 Parameters of preparing the coatings Coatings Argon gas flow rate / (L・min -

1 ) Hydrogen gas flow rate / (L・min -

1 ) Feedstock feed rate / ( r・min -

1 ) Voltage /V Arc current /A Spray distance /mm Ni/Al

40 0.

8 20

60 500 100~120 Al2O3 /TiO2

45 L /min 1.

2 20

70 550 80~100 量比为 87∶13粉末来源和性能见文献 [

8 ]. 通过 MH -

5 - VM 型显微硬度仪测定涂层的显 微硬度 ,加载载荷为

500 g,加压时间为

5 s,每个试样 测量 20个点取平均值. 结合强度依照 AST MC633 -

79 标准 ,取 5次测量值的平均值为涂层结合强度. 1.

2 摩擦磨损试验 摩擦试验机为 Optimal SRV 型摩擦磨损试验 机 ,其摩擦副形式是球盘接触. 试验温度为 :室温 收稿日期 :

2008 -

08 - 08;

修回日期 :

2008 -

12 - 15;

联系人 :陈建敏 , e - mail: chenjm@ lzb. ac. cn 基金项目 :国家自然科学基金委创新研究群体基金资助项目 (50421502). 作者简介 :陈建敏 (1959 - ) ,男 ,研究员 ,博士生导师 ,主要从事表面工程技术方面的研究. ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net (28 ℃) ,润滑油选用液体石蜡 (滴加在接触表面 ). 载荷分别为

50、

100、 150和200 N,频率分别为

10、 20和30 Hz, 振幅1mm, 时间30 m in. 对偶为1Cr18N i9Ti 不锈钢球. 试验前所有试样均用丙酮超 声清洗

15 m in,烘干后使用. 摩擦系数由 SRV 试验 机自动全程记录. 涂层磨损体积由 M icro - XAM 三 维表面轮廓仪测定. 1. 3磨损表面分析 在JS M - 5600LV 型扫描电子显微镜 ( SEM )上 观察涂层摩擦试样的磨损表面形貌及成分.

2 结果与讨论 2.

1 涂层形貌及性能 图 1给出了纳米和微米 A l2 O3 /TiO2 涂层截面 形貌 SEM照片. 由图 1可以看出 , 2种涂层的共同点 是都存在裂纹和孔洞 ,这些裂纹和孔洞的形成与等 离子喷涂工艺特点有关 [

9 ] . 由于部分陶瓷颗粒熔化 不完全 ,在陶瓷颗粒之间会形成孔隙 ,造成涂层组织 不均匀 ,不致密. 比较 2种涂层的截面形貌可以发 现 ,纳米 A l2 O3 / TiO2涂层明显比微米涂层致密性 Fig .

1 SEM images of nano - scale and m icro - A l2O3 /TiO2 coatings 图1纳米和微米 A l2O3 /TiO2 涂层截面形貌 SEM照片 好 ,孔洞的数量少 ,孔洞尺寸也较小 ,这是因为纳米 粒子表面能高 ,比表面积大 ,活性高 ,其熔融所需的 内能较微米材料小的多 ,熔点下降 200~400 ℃ [

10 ] . 在等离子喷涂过程中 ,纳米粉末较微米粉末熔化更 充分 ,颗粒之间的黏合程度更好 ,有利于提高涂层的 致密度. 表 2给出的是 2种涂层的表面粗糙度、 显微 表2涂层基本性能 Table

2 Ba sic properties of a s - sprayed coatings Coating Surface roughness /μm M icrohardness HV Bond strength /MPa Nano - sized 5.

94 1

032 23.

6 M icro - sized 6.

89 828 16.

0 硬度和结合强度. 由表 2可见 ,纳米 A l2 O3 /TiO2 涂 层的表面粗糙度低 ,显微硬度和结合强度都较微米 涂层有明显的提高. 纳米涂层致密度、 结合强度和硬 度的改善将有利于提高其抗磨损性能. 2.

2 摩擦系数和磨损率 图 2分别是液态石蜡不同载荷和不同频率下 , 纳、 微米 A l2 O3 /TiO2 /不锈钢摩擦副的摩擦系数与摩 擦时间的关系曲线. 可以看出 ,在相同条件下 ,纳米 A l2 O3 /TiO2 涂层的摩擦系数随摩擦时间波动较小 , 并基本保持稳定 ,微米 A l2 O3 /TiO2 涂层的摩擦系数 则随着摩擦时间的增加成降低趋势 (200 N 除外 ). 纳米涂层的摩擦系数在 0. 12~0. 15之间 ,而微米涂 层的摩擦系数都在 0. 3以上 ,可见这 2种涂层与不 锈钢配副下摩擦系数差异较大 ,这说明具有完全不 同的磨损机制. 纳、 微米 A l2 O3 /Ti O2 涂层 /不锈钢摩擦时的磨 损率如表 3中所示. 纳米 A l2 O3 /TiO2 涂层在低载荷 (50 N)和低速度 (0.

02 m / s)下 ,涂层的磨损非常轻 微无法正确测量. 其他条件下 ,涂层的磨损率也很 低 ,在 1.

7 *

10 -

8 ~2.

8 *

10 -

8 mm

3 / (Nm )范围之 内. 微米 A l2 O3 /TiO2 涂层的磨损率在

84 *

10 -

8 ~

158 *

10 -

8 mm

3 / (Nm)范围之内 ,比纳米 A l2 O3 /TiO2 涂层增加了 70倍甚至 100倍以上. 可见 ,液态石蜡 润滑下对偶为不锈钢时 ,纳米涂层比微米 A l2 O3 / TiO2 涂层的耐磨性提高了几十倍 ,在低载荷或低速 度下 ,纳米 A l2 O3 /TiO2 涂层的磨损几乎何以忽略. 此外,如图 3所示 ,与纳米 A l2 O3 / TiO2涂层对

8 9 摩擦学学报第29卷?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 表3纳米、 微米 A l2O3 /Ti O2 涂层 /不锈钢的磨损率随载荷和速度的变化 Table

3 Variation of wear ra te of the as - sprayed nano - sized and m icro - sized coa ti ngs w ith load or velocity under oil lubricated aga inst sta inless steel ball Coating Wear rate *

10 -

8 / [mm3 ・(N・m) -

1 ] Load /N

50 100

150 200 Velocity / (m・s-

1 ) 0.

02 0.

06 Nano - sized - 2.

64 2.

77 2.

53 - 1.

76 M icro - sized 84.

4 151.

2 157.

6 136.

6 103.

5 93.

28 - presents the wear volume was too small to be measured 摩时 ,不锈钢对偶的磨斑直径在 0. 45~0.

75 mm之间,而与微米 A l2 O3 /Ti O2 涂层摩擦的不锈钢对偶磨 斑直径在 1. 5~2.

5 mm 之间 ,是前者的三倍左右. 可以看出 ,液态石蜡润滑条件下 ,纳米 A l2 O3 /TiO2 涂层还可以大大减轻不锈钢对偶的磨损 ,因此 ,纳米 A l2 O3 /TiO2 涂层 /不锈钢是润滑条件下摩擦磨损性 能较优异的摩擦副. 图 4为纳米 A l2 O3 /TiO2 涂层与不锈钢对摩时 的摩擦表面形貌. 由图 4可见 ,载荷为

50 N和100 N 时 ,涂层摩擦表面被一层不连续的物质覆盖 ,载荷为

150 N 时 ,只有少数区域被覆盖 ,而载荷增至

200 N 时完全消失. 表面 EDS分析结果表明覆盖物的主要 成分是由对偶不锈钢球转移而来的铁 ,随着载荷的 增加 ,对偶的转移减弱而涂层的磨损随之加重. 图 5是微米 A l2 O3 /TiO2 涂层摩擦表面形貌. 由图5可见 ,涂层在

50 N 时表面仍然有对偶的转移 , 但是在

100 N以上就消失了. 此外 ,纳米涂层摩擦表 面有零星的孔洞 ,并且局部区域表面十分光滑 (载99第2期赵晓琴 ,等 :等离子喷涂 A l2O3 /TiO2 陶瓷涂层在液态石蜡润滑下的摩擦磨损性能研究 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net Fig .

3 The diameter of worn scar of stainless steel ball against different A l2O3 /TiO2 coating under different loads 图3不同载荷下不锈钢对偶磨斑直径 荷为

200 N时最为明显 ) ,但是微米涂层摩擦表面孔 洞明显减少 ,也没有光滑区域出现 ,摩擦表面非常粗 糙 ,可以看到暴露的晶粒. 因此 ,纳米 A l2 O3 / TiO2涂 层的磨损机制在低载荷下是轻微的黏着磨损 ,高载 荷下则是摩擦抛光 ,而微米 A l2 O3 /TiO2 涂层的磨损 机制是晶粒脆性断裂. 从以上结果可以发现 ,在液态石蜡润滑下 ,纳米 A l2 O3 /TiO2 涂层最具减摩抗磨效果的摩擦条件是在 较低载荷 (速度 )下 ,如图

6 ( a)所示 ,该条件下在摩 擦副接触面上形成一层润滑油膜.表面光滑 ( h ? Ra )时才能够形成连续的润滑油膜 [

11 ] . 随着载荷的 加大 ,这种润滑油膜的厚度随之减小 ,如果再加上温 度的升高对润滑油稠度的影响 ,就会导致在较高载 荷下摩擦系数和磨损程度的升高. 因此 , 对微米 A l2 O3 /TiO2 涂层 /不锈钢摩擦副来说 ,涂层的摩擦表 面明显比纳米涂层摩擦表面粗糙 ,不易形成连续的 润滑油膜 ( h <

Ra ) [见图

6 ( b) ] ,此时 ,几乎没有润 滑作用 ,微米涂层 /不锈钢摩擦副的摩擦系数很高 , 和干摩擦系数接近 [

12 ] ,磨损也很严重. 因此可以断 Fig .

4 SEM m icrographs of worn surface of nano - sized coating sliding against stainless steel ball (velocity = 0. 04m / s) 图4纳米涂层与不锈钢对摩时涂层的摩擦表面形貌 (速度 = 0. 04m / s) 定 ,纳米涂层 /不锈钢摩擦副是边界润滑起主要作 用 ,而微米涂层 /不锈钢摩擦副润滑油没有起到很好 的润滑作用 ,这是由二者的表面粗糙度决定的 [

13 ] . 从本质上来看 , 2种涂层摩擦表面粗糙度的差异主 要取决于 2种涂层微观结构及其力学性能的差异. 纳米涂层的结合强度和显微硬度较微米涂层提高了 约30%左........